A técnica da fotoelasticidade pode ser particularmente útil na análise de tensões em sistemas com geometrias complexas. Em um equipamento chamado polariscópio, um feixe de luz polarizada atravessa o modelo fotoelástico que representa o protótipo. Ao submeter este modelo a um carregamento, faixas de diferentes cores poderão ser visualizadas. Cada cor é associada a um nível de tensão. As tensões observadas no modelo fotoelástico podem ser comparadas com as tensões determinadas nos modelos numéricos ou analíticos. Em casos específicos, o problema da distribuição de tensões em uma fundação pode ser analisado com emprego da fotoelasticidade. A análise do comportamento de estacas helicoidais através da técnica da fotoelasticidade pode ser então de grande valia para estudos mais aprofundados deste sistema. O principal objetivo desta pesquisa foi viabilizar este método experimental para ser aplicado no Departamento de Geotecnia da EESC em análises de tensões em sistemas geotécnicos. Para validar as análises experimentais, tensões observadas em modelos de geometria simples foram comparadas com as tensões determinadas por meio de modelagem numérica com o método dos elementos finitos. O comportamento da fundação por estaca helicoidal observado pela técnica da fotoelasticidade mostrou semelhança ao observado na modelagem numérica. Por meio da distribuição de tensões, foi possível avaliar a influência da geometria helicoidal da lâmina e da profundidade de instalação da ancoragem no terreno. / The photoelastic method can be particularly useful for stress analysis with complex geometry systems. In equipment called polariscope, a polarized light beam crosses the photoelastic model that represents the prototype. Submitting this model to a load, fringes of different colors can be visualized. Each color is associated to a stress level. The stresses corresponding to the observed fringes on the photoelastic model can be compared to the stresses obtained through analytical or numerical models. In specific cases, the stress distribution problem can be analyzed with the use of photoelasticity. The photoelastic analysis of the helical pile behavior can then be valuable for further studies of this system. The main objective of this research was enabling this experimental method to be applied in the Department of Geotechnical Engineering of EESC in geotechnical systems stress analysis. To validate the experimental analysis, stresses observed in simple geometry models have been compared to those stresses determined by numerical modeling with the finite element method. The observed behavior of the helical pile foundation by photoelastic method showed similarity to that one observed through numerical modeling. Stress distribution analyses allowed evaluating the influence of helical blade geometry and the depth of installation.

A técnica da fotoelasticidade pode ser particularmente útil na análise de tensões em sistemas com geometrias complexas. Em um equipamento chamado polariscópio, um feixe de luz polarizada atravessa o modelo fotoelástico que representa o protótipo. Ao submeter este modelo a um carregamento, faixas de diferentes cores poderão ser visualizadas. Cada cor é associada a um nível de tensão. As tensões observadas no modelo fotoelástico podem ser comparadas com as tensões determinadas nos modelos numéricos ou analíticos. Em casos específicos, o problema da distribuição de tensões em uma fundação pode ser analisado com emprego da fotoelasticidade. A análise do comportamento de estacas helicoidais através da técnica da fotoelasticidade pode ser então de grande valia para estudos mais aprofundados deste sistema. O principal objetivo desta pesquisa foi viabilizar este método experimental para ser aplicado no Departamento de Geotecnia da EESC em análises de tensões em sistemas geotécnicos. Para validar as análises experimentais, tensões observadas em modelos de geometria simples foram comparadas com as tensões determinadas por meio de modelagem numérica com o método dos elementos finitos. O comportamento da fundação por estaca helicoidal observado pela técnica da fotoelasticidade mostrou semelhança ao observado na modelagem numérica. Por meio da distribuição de tensões, foi possível avaliar a influência da geometria helicoidal da lâmina e da profundidade de instalação da ancoragem no terreno. / The photoelastic method can be particularly useful for stress analysis with complex geometry systems. In equipment called polariscope, a polarized light beam crosses the photoelastic model that represents the prototype. Submitting this model to a load, fringes of different colors can be visualized. Each color is associated to a stress level. The stresses corresponding to the observed fringes on the photoelastic model can be compared to the stresses obtained through analytical or numerical models. In specific cases, the stress distribution problem can be analyzed with the use of photoelasticity. The photoelastic analysis of the helical pile behavior can then be valuable for further studies of this system. The main objective of this research was enabling this experimental method to be applied in the Department of Geotechnical Engineering of EESC in geotechnical systems stress analysis. To validate the experimental analysis, stresses observed in simple geometry models have been compared to those stresses determined by numerical modeling with the finite element method. The observed behavior of the helical pile foundation by photoelastic method showed similarity to that one observed through numerical modeling. Stress distribution analyses allowed evaluating the influence of helical blade geometry and the depth of installation.

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Na prática de fundações por estacas helicoidais submetidas a esforços de tração (também conhecidas como ancoragens helicoidais) frequentemente são observadas discrepâncias entre valores de capacidade de carga previstos por métodos teóricos e medidos em provas de carga. Entre outros fatores, estas diferenças ocorrem pelo fato de nenhum dos métodos teóricos existentes considerarem adequadamente o efeito da instalação no comportamento deste tipo de ancoragem. Durante a penetração por rotação das hélices da estaca/ancoragem no terreno, os parâmetros de resistência e de rigidez do solo penetrado, e as tensões radiais em torno da estaca são modificados. O nível de degradação do solo que suportará as cargas aplicadas na ancoragem é dependente do tipo e características do solo, e do número e geometria das hélices. Diante deste cenário de incertezas provenientes do efeito da instalação, duas distintas abordagens probabilísticas são apresentadas nesta dissertação. A primeira abordagem tem o intuito de verificar o efeito da variabilidade de distintas variáveis influentes no comportamento de ancoragens helicoidais. Para este fim, foi utilizado o método de expansão em Polinômio de Caos, baseado na modelagem numérica de ancoragens helicoidais em areia, calibrada com os resultados medidos em modelos testados em centrifuga. Foi verificado nesta parte o nível de influência de cada parâmetro de entrada do solo no comportamento carga x deslocamento da ancoragem. No segundo enfoque, foi proposto e avaliado um modelo probabilístico para simular a curva carga x deslocamento, obtida em provas de carga. Nesta parte, foi realizada uma análise de confiabilidade para verificação do estado limite de serviço de ancoragens helicoidais baseada em resultados de provas de carga executadas no Brasil. São também apresentadas nesta análise as incertezas provenientes da variabilidade do fator de torque utilizado na verificação da capacidade de carga durante a instalação da ancoragem. / Discrepancies between predicted and measured results of uplift capacity of helical piles (or helical anchors) have been commonly observed in the practical experience. Among other factors, these differences occur because the existing theoretical methods do not consider adequately the installation effect on the behavior of this type of anchor. During the anchor installation, the penetration by rotation of the helical plates into the ground modifies the soil strength and stiffness parameters, and the radial stresses around the pile. The degradation degree of the soil penetrated is dependent on the type and characteristics of the soil, and also on the number and geometry of helices. Against this background of uncertainty due to the installation effect, two different probabilistic approaches are presented in this dissertation. The first approach is used to verify the effect of the variability of different influential variables on the behavior of helical anchors. For this purpose, the probabilistic method named Sparse Polynomial Chaos Expansion was used, based on the numerical modeling of helical anchors in sand, calibrated with measured results obtained from reduced models tested in centrifuge. As a result, the level of influence of each soil input parameter on the anchor load-displacement behavior is presented. In the second approach, a probabilistic model to simulate the load-displacement curve obtained in load tests was proposed and evaluated. For this part, a reliability analysis was performed to check the serviceability limit state of helical anchors, based on the results of field load tests performed in Brazil. In addition, the uncertainties arising from the variability of the torque factor were evaluated. The torque factor is frequently used to verify the uplift capacity of helical anchors during installation.

A utilização de estacas helicoidais como fundação de linhas de transmissão de energia elétrica tem aumentando significativamente no Brasil. No entanto, em alguns casos de obra, a camada de solo adequada para se instalarem as hélices da estaca encontra-se em profundidade economicamente inviável para o uso deste tipo de fundação. Esta foi a razão que motivou a presente pesquisa, que tem como objetivo avaliar soluções para a instalação de estacas helicoidais mais curtas, ancoradas em solo de capacidade inferior à necessária para atender às cargas de projeto. Nesta dissertação, foram avaliadas duas soluções alternativas para o aumento de capacidade de carga de fundações por estacas helicoidais, para os casos de carregamento de tração e compressão. A primeira alternativa verificada foi a injeção de calda de cimento em torno das hélices da ponta da estaca. A segunda solução testada foi o preenchimento com argamassa em torno da haste da estaca acima das hélices. Foram realizadas na presente pesquisa nove provas de carga (cinco de tração e quatro de compressão): três em estacas helicoidais convencionais, quatro em estacas helicoidais com injeção de calda de cimento e duas em estacas helicoidais com fuste de argamassa. Após a realização de provas de carga nas estacas, estas foram exumadas para se verificar a forma da coluna de argamassa e as formas de bulbos resultantes das injeções realizadas com calda de cimento. A partir dos resultados dos ensaios, foi verificado que a capacidade de carga da estaca á tração pode ser aumentada usando-se as alternativas testadas. Porém, são necessários mais ensaios para avaliar a eficiência destes procedimentos em diferentes condições de solo e configuração de estacas. / The use of helical piles as foundation for transmission lines has increased significantly in Brazil. However, in some sites, the soil layer suitable for installing the pile helices are considerably deep and it is economically unviable to use this type of foundation. This reason motivated the current study, which aims to evaluate solutions for the installation of helical piles anchored in soil with low capacity. In this research, it was evaluated two alternative solutions to improve the helical pile capacity. The first alternative is injecting a water/ cement mixture which is delivered to the ground throught holes, placed between the upper and bottom helices. The second alternative solution is helical piles with a mortar shaft. Nine pile load tests were performed for the present investigation (five in tension and four in compression): three on conventional helical piles, four on helical piles with injection, and two on helical piles with mortar shaft. After that, the helical piles were exhumed for the verification of the shaft shape and the forms of the bulbs resulting from injections performed with cement mixture. The results of these tests indicated that the uplift capacity of helical piles can be increased by using the alternatives tested. However, more tests are needed to evaluate the effectiveness of these procedures, in different soil conditions and pile configurations.

Na prática de fundações por estacas helicoidais submetidas a esforços de tração (também conhecidas como ancoragens helicoidais) frequentemente são observadas discrepâncias entre valores de capacidade de carga previstos por métodos teóricos e medidos em provas de carga. Entre outros fatores, estas diferenças ocorrem pelo fato de nenhum dos métodos teóricos existentes considerarem adequadamente o efeito da instalação no comportamento deste tipo de ancoragem. Durante a penetração por rotação das hélices da estaca/ancoragem no terreno, os parâmetros de resistência e de rigidez do solo penetrado, e as tensões radiais em torno da estaca são modificados. O nível de degradação do solo que suportará as cargas aplicadas na ancoragem é dependente do tipo e características do solo, e do número e geometria das hélices. Diante deste cenário de incertezas provenientes do efeito da instalação, duas distintas abordagens probabilísticas são apresentadas nesta dissertação. A primeira abordagem tem o intuito de verificar o efeito da variabilidade de distintas variáveis influentes no comportamento de ancoragens helicoidais. Para este fim, foi utilizado o método de expansão em Polinômio de Caos, baseado na modelagem numérica de ancoragens helicoidais em areia, calibrada com os resultados medidos em modelos testados em centrifuga. Foi verificado nesta parte o nível de influência de cada parâmetro de entrada do solo no comportamento carga x deslocamento da ancoragem. No segundo enfoque, foi proposto e avaliado um modelo probabilístico para simular a curva carga x deslocamento, obtida em provas de carga. Nesta parte, foi realizada uma análise de confiabilidade para verificação do estado limite de serviço de ancoragens helicoidais baseada em resultados de provas de carga executadas no Brasil. São também apresentadas nesta análise as incertezas provenientes da variabilidade do fator de torque utilizado na verificação da capacidade de carga durante a instalação da ancoragem. / Discrepancies between predicted and measured results of uplift capacity of helical piles (or helical anchors) have been commonly observed in the practical experience. Among other factors, these differences occur because the existing theoretical methods do not consider adequately the installation effect on the behavior of this type of anchor. During the anchor installation, the penetration by rotation of the helical plates into the ground modifies the soil strength and stiffness parameters, and the radial stresses around the pile. The degradation degree of the soil penetrated is dependent on the type and characteristics of the soil, and also on the number and geometry of helices. Against this background of uncertainty due to the installation effect, two different probabilistic approaches are presented in this dissertation. The first approach is used to verify the effect of the variability of different influential variables on the behavior of helical anchors. For this purpose, the probabilistic method named Sparse Polynomial Chaos Expansion was used, based on the numerical modeling of helical anchors in sand, calibrated with measured results obtained from reduced models tested in centrifuge. As a result, the level of influence of each soil input parameter on the anchor load-displacement behavior is presented. In the second approach, a probabilistic model to simulate the load-displacement curve obtained in load tests was proposed and evaluated. For this part, a reliability analysis was performed to check the serviceability limit state of helical anchors, based on the results of field load tests performed in Brazil. In addition, the uncertainties arising from the variability of the torque factor were evaluated. The torque factor is frequently used to verify the uplift capacity of helical anchors during installation.

A utilização de estacas helicoidais como fundação de linhas de transmissão de energia elétrica tem aumentando significativamente no Brasil. No entanto, em alguns casos de obra, a camada de solo adequada para se instalarem as hélices da estaca encontra-se em profundidade economicamente inviável para o uso deste tipo de fundação. Esta foi a razão que motivou a presente pesquisa, que tem como objetivo avaliar soluções para a instalação de estacas helicoidais mais curtas, ancoradas em solo de capacidade inferior à necessária para atender às cargas de projeto. Nesta dissertação, foram avaliadas duas soluções alternativas para o aumento de capacidade de carga de fundações por estacas helicoidais, para os casos de carregamento de tração e compressão. A primeira alternativa verificada foi a injeção de calda de cimento em torno das hélices da ponta da estaca. A segunda solução testada foi o preenchimento com argamassa em torno da haste da estaca acima das hélices. Foram realizadas na presente pesquisa nove provas de carga (cinco de tração e quatro de compressão): três em estacas helicoidais convencionais, quatro em estacas helicoidais com injeção de calda de cimento e duas em estacas helicoidais com fuste de argamassa. Após a realização de provas de carga nas estacas, estas foram exumadas para se verificar a forma da coluna de argamassa e as formas de bulbos resultantes das injeções realizadas com calda de cimento. A partir dos resultados dos ensaios, foi verificado que a capacidade de carga da estaca á tração pode ser aumentada usando-se as alternativas testadas. Porém, são necessários mais ensaios para avaliar a eficiência destes procedimentos em diferentes condições de solo e configuração de estacas. / The use of helical piles as foundation for transmission lines has increased significantly in Brazil. However, in some sites, the soil layer suitable for installing the pile helices are considerably deep and it is economically unviable to use this type of foundation. This reason motivated the current study, which aims to evaluate solutions for the installation of helical piles anchored in soil with low capacity. In this research, it was evaluated two alternative solutions to improve the helical pile capacity. The first alternative is injecting a water/ cement mixture which is delivered to the ground throught holes, placed between the upper and bottom helices. The second alternative solution is helical piles with a mortar shaft. Nine pile load tests were performed for the present investigation (five in tension and four in compression): three on conventional helical piles, four on helical piles with injection, and two on helical piles with mortar shaft. After that, the helical piles were exhumed for the verification of the shaft shape and the forms of the bulbs resulting from injections performed with cement mixture. The results of these tests indicated that the uplift capacity of helical piles can be increased by using the alternatives tested. However, more tests are needed to evaluate the effectiveness of these procedures, in different soil conditions and pile configurations.

O uso de fundações por estacas helicoidais tem aumentado consideravelmente nos últimos anos, devido às suas vantagens comparadas a outros tipos de fundação, como a sua rápida instalação e sua capacidade de resistir simultaneamente a esforços de tração e de compressão. No entanto, os métodos de previsão do comportamento deste tipo de fundação submetida a esforços de tração (denominadas ancoragens helicoidais neste caso), ainda são insatisfatórios, e normalmente são observadas discrepâncias entre os resultados estimados por métodos teóricos e medidos em provas de carga. Entre outras razões, estas diferenças ocorrem principalmente pelo fato dos efeitos da instalação destas ancoragens no solo não serem considerados nos métodos de previsão disponíveis. No momento da instalação, os parâmetros do solo atravessado são modificados, e como é o volume de solo alterado que deve resistir ao carregamento da ancoragem sob tração, é essencial entender e quantificar este efeito de instalação para uma previsão adequada da capacidade de carga deste tipo de ancoragem. Para contribuir com o entendimento deste efeito, no presente trabalho foram realizadas simulações numéricas com o software FLAC3D, para se conhecer as modificações ocorridas no solo devido à instalação de uma ancoragem helicoidal em areia compacta. Para este fim, na simulação do solo penetrado pela hélice, foram reduzidos os valores de ângulo de atrito e do módulo de elasticidade da areia. O modelo foi validado por meio da comparação com a curva carga-deslocamento obtida experimentalmente em ensaios realizados em centrifuga. Após o ajuste do modelo numérico, foi realizada uma análise paramétrica com o objetivo de investigar o efeito da instalação no fator de capacidade de carga (Nq). Por meio da análise paramétrica também foram avaliados o deslocamento da ancoragem sob carga máxima e as tensões horizontais atuantes na superfície de ruptura. Os resultados estimados de Nq foram comparados com estudos anteriores, e mostraram um bom ajuste com resultados de provas de carga in situ e em centrifuga. Além disso, o estudo paramétrico indicou que as tensões horizontais atuantes na zona de ruptura são distribuídas em forma de tronco de cone, e variam de acordo com o diâmetro da hélice. / The use of helical foundations has increased considerably in recent years due to its advantages compared to other types of foundations, such as rapid installation and the capacity of resisting tensile and compressive loads. However, the methods normally used to predict the behavior of this type of foundation under tensile loads (called helical anchors in this case), are still unsatisfactory, and discrepancies are usually observed between the results estimated by theoretical methods and measured in load tests. Among other reasons, these differences occur mainly because the effects of helical anchor installation in the soil are not considered in the available predicting methods. During installation, the parameters of the soil penetrated are modified, and since it is this disturbed soil volume that must support the loading of the anchor under tension, it is essential to understand and quantify this installation effect for an adequate prediction of the uplift capacity of this type anchor. In order to contribute to the understanding of this effect, in the present work numerical simulations with the software FLAC3D were performed to evaluate the modifications occurred in the soil due to the installation of a helical anchor in dense sand. For this purpose, in the simulation of the soil penetrated by the helices, the values of friction angle and modulus of elasticity of the sand were reduced. The model was validated by means of the comparison with a load-displacement curve obtained experimentally in centrifuge model tests. After adjusting the numerical model, a parametric analysis was carried out to investigate the effect of the installation on the breakout factor (Nq). The parametric analyses were also used to investigate the anchor displacement at the peak load and the horizontal stresses acting on the failure surface. The estimated Nq values were compared with previous studies, and showed a good agreement with experimental results obtained by field and centrifuge tests. Additionally, the parametric study indicated that the horizontal stresses acting on the failure zone are distributed in the shape of a truncated cone, and vary with the helix diameter.

O uso de fundações por estacas helicoidais tem aumentado consideravelmente nos últimos anos, devido às suas vantagens comparadas a outros tipos de fundação, como a sua rápida instalação e sua capacidade de resistir simultaneamente a esforços de tração e de compressão. No entanto, os métodos de previsão do comportamento deste tipo de fundação submetida a esforços de tração (denominadas ancoragens helicoidais neste caso), ainda são insatisfatórios, e normalmente são observadas discrepâncias entre os resultados estimados por métodos teóricos e medidos em provas de carga. Entre outras razões, estas diferenças ocorrem principalmente pelo fato dos efeitos da instalação destas ancoragens no solo não serem considerados nos métodos de previsão disponíveis. No momento da instalação, os parâmetros do solo atravessado são modificados, e como é o volume de solo alterado que deve resistir ao carregamento da ancoragem sob tração, é essencial entender e quantificar este efeito de instalação para uma previsão adequada da capacidade de carga deste tipo de ancoragem. Para contribuir com o entendimento deste efeito, no presente trabalho foram realizadas simulações numéricas com o software FLAC3D, para se conhecer as modificações ocorridas no solo devido à instalação de uma ancoragem helicoidal em areia compacta. Para este fim, na simulação do solo penetrado pela hélice, foram reduzidos os valores de ângulo de atrito e do módulo de elasticidade da areia. O modelo foi validado por meio da comparação com a curva carga-deslocamento obtida experimentalmente em ensaios realizados em centrifuga. Após o ajuste do modelo numérico, foi realizada uma análise paramétrica com o objetivo de investigar o efeito da instalação no fator de capacidade de carga (Nq). Por meio da análise paramétrica também foram avaliados o deslocamento da ancoragem sob carga máxima e as tensões horizontais atuantes na superfície de ruptura. Os resultados estimados de Nq foram comparados com estudos anteriores, e mostraram um bom ajuste com resultados de provas de carga in situ e em centrifuga. Além disso, o estudo paramétrico indicou que as tensões horizontais atuantes na zona de ruptura são distribuídas em forma de tronco de cone, e variam de acordo com o diâmetro da hélice. / The use of helical foundations has increased considerably in recent years due to its advantages compared to other types of foundations, such as rapid installation and the capacity of resisting tensile and compressive loads. However, the methods normally used to predict the behavior of this type of foundation under tensile loads (called helical anchors in this case), are still unsatisfactory, and discrepancies are usually observed between the results estimated by theoretical methods and measured in load tests. Among other reasons, these differences occur mainly because the effects of helical anchor installation in the soil are not considered in the available predicting methods. During installation, the parameters of the soil penetrated are modified, and since it is this disturbed soil volume that must support the loading of the anchor under tension, it is essential to understand and quantify this installation effect for an adequate prediction of the uplift capacity of this type anchor. In order to contribute to the understanding of this effect, in the present work numerical simulations with the software FLAC3D were performed to evaluate the modifications occurred in the soil due to the installation of a helical anchor in dense sand. For this purpose, in the simulation of the soil penetrated by the helices, the values of friction angle and modulus of elasticity of the sand were reduced. The model was validated by means of the comparison with a load-displacement curve obtained experimentally in centrifuge model tests. After adjusting the numerical model, a parametric analysis was carried out to investigate the effect of the installation on the breakout factor (Nq). The parametric analyses were also used to investigate the anchor displacement at the peak load and the horizontal stresses acting on the failure surface. The estimated Nq values were compared with previous studies, and showed a good agreement with experimental results obtained by field and centrifuge tests. Additionally, the parametric study indicated that the horizontal stresses acting on the failure zone are distributed in the shape of a truncated cone, and vary with the helix diameter.