Pile caps are structural elements used to transmit loads from structural columns into pile groups. A pile cap is generally constructed of reinforced concrete and contains only minimal flexural reinforcing steel. Using modern design methods, the anchorage of the flexural steel may limit the design capacity of existing pile caps. To develop new data on performance of existing pile caps with poorly detailed flexural reinforcing steel, four pile cap specimens were constructed and tested. The specimens were full-size representations of in-situ pile caps used in a mid-rise hospital building. Materials used to construct the specimens were selected to represent those of the in-situ pile caps. Tests were conducted until failure or the maximum capacity of the hydraulic loading system was achieved. Design methods were used to compare the predicted design strength with the measured experimental strength of the specimens. Based on the observed experimental response, specimens exhibited either two-way punching shear or one-way shear failure modes. Widespread yielding and little relative slip of the embedded reinforcing steel were observed. The modern design methods were sometimes conservative and sometimes unconservative in predicting the strength of the specimens. / Graduation date: 2012

Entre os diversos elementos estruturais, um que apresenta certas carências de conhecimento é o bloco de fundação. Os poucos estudos referentes a este elemento se limitam ao caso de blocos com força centrada e blocos sem elementos de ligação. Assim este trabalho tem como objetivo esclarecer algumas dúvidas a respeito do comportamento de blocos de fundação sobre quatro estacas, com cálice parcialmente embutido e solicitado por momentos nas duas direções. Estudou-se por meio de análise numérica não linear o comportamento de dois blocos que fazem parte de edifícios industriais e comerciais tomados como modelos. Para verificar a representatividade do modelo numérico adotado, foi simulado um bloco sobre quatro estacas submetido à força centrada e dois modelos de colarinho, um com ligação rugosa e outro com ligação lisa; os resultados da análise numérica foram comparados com resultados experimentais obtidos por outros pesquisadores. As variações realizadas nos dois modelos foram relacionadas às armaduras adotadas e ao tipo de ligação entre pilar e colarinho. A análise dos resultados teve como norteadoras a verificação da força última, as tensões no concreto e nas barras de aço, a fissuração e as reações nas estacas. Os resultados indicaram que para o caso de ligação rugosa, ocorreu a formação de bielas que se formam a partir do topo do colarinho. Entretanto o modelo espacial e o método das bielas não descrevem com precisão o seu comportamento, pois há uma tendência das bielas se formarem com grandes ângulos de inclinações e, assim, as forças são transmitidas diretamente para as estacas. Já para o caso de ligação lisa, observou-se que a transferência das ações atuantes no pilar para o bloco ocorre por meio da força de atrito das paredes do pilar com o colarinho e principalmente pelo contato da base do pilar com o bloco. / There is a lack of knowledge about pile caps. Studies concerning these elements are limited to the case of pile-caps subjected to centered forces without connection elements. In this context this research aims to clarify some doubts about the behavior of pile caps under centered forces and bending moment. The behavior of four pile-caps with partially embedded socket subjected to moment in two directions was studied. A nonlinear numerical study was conducted to analyze two pile-caps models designed as part of industrial and commercial buildings. To verify the representativeness of the numerical model adopted, comparative analyze were performed using numerical and experimental data found in previous researches. The reinforcement and connection type were the variable parameters in the analysis of the two pile-caps. The results have shown that in the case of rough connection there occurs the formation of struts from the top of the socket wall. In the case of smooth connection, the transfer of forces from the column to pile-cap occurs through friction forces in the socket/column connection.

Entre os diversos elementos estruturais, um que apresenta certas carências de conhecimento é o bloco de fundação. Os poucos estudos referentes a este elemento se limitam ao caso de blocos com força centrada e blocos sem elementos de ligação. Assim este trabalho tem como objetivo esclarecer algumas dúvidas a respeito do comportamento de blocos de fundação sobre quatro estacas, com cálice parcialmente embutido e solicitado por momentos nas duas direções. Estudou-se por meio de análise numérica não linear o comportamento de dois blocos que fazem parte de edifícios industriais e comerciais tomados como modelos. Para verificar a representatividade do modelo numérico adotado, foi simulado um bloco sobre quatro estacas submetido à força centrada e dois modelos de colarinho, um com ligação rugosa e outro com ligação lisa; os resultados da análise numérica foram comparados com resultados experimentais obtidos por outros pesquisadores. As variações realizadas nos dois modelos foram relacionadas às armaduras adotadas e ao tipo de ligação entre pilar e colarinho. A análise dos resultados teve como norteadoras a verificação da força última, as tensões no concreto e nas barras de aço, a fissuração e as reações nas estacas. Os resultados indicaram que para o caso de ligação rugosa, ocorreu a formação de bielas que se formam a partir do topo do colarinho. Entretanto o modelo espacial e o método das bielas não descrevem com precisão o seu comportamento, pois há uma tendência das bielas se formarem com grandes ângulos de inclinações e, assim, as forças são transmitidas diretamente para as estacas. Já para o caso de ligação lisa, observou-se que a transferência das ações atuantes no pilar para o bloco ocorre por meio da força de atrito das paredes do pilar com o colarinho e principalmente pelo contato da base do pilar com o bloco. / There is a lack of knowledge about pile caps. Studies concerning these elements are limited to the case of pile-caps subjected to centered forces without connection elements. In this context this research aims to clarify some doubts about the behavior of pile caps under centered forces and bending moment. The behavior of four pile-caps with partially embedded socket subjected to moment in two directions was studied. A nonlinear numerical study was conducted to analyze two pile-caps models designed as part of industrial and commercial buildings. To verify the representativeness of the numerical model adopted, comparative analyze were performed using numerical and experimental data found in previous researches. The reinforcement and connection type were the variable parameters in the analysis of the two pile-caps. The results have shown that in the case of rough connection there occurs the formation of struts from the top of the socket wall. In the case of smooth connection, the transfer of forces from the column to pile-cap occurs through friction forces in the socket/column connection.

Esta pesquisa discorre a respeito do comportamento estrutural de blocos de concreto armado sobre cinco estacas, dispostas nos vértices de um trapézio, e sobre seis estacas, com o arranjo retangular, considerado pilar com força centrada. Foram estudados diversos métodos analíticos para o dimensionamento dos blocos, no intuito de avaliar a compatibilidade entre o comportamento dos blocos e as hipóteses de cada método. Foi desenvolvida análise numérica tridimensional utilizando programa baseado no método dos elementos finitos. Nos blocos estudados variou-se a deformabilidade do solo de apoio das estacas, por meio de molas elásticas, a seção transversal do pilar, considerando pilar quadrado e pilar retangular, as alturas dos blocos sobre estacas e a resistência do concreto. A configuração do fluxo de tensões, vista em perspectiva, indicou a formação de bielas comprimidas discretas ligando o pilar ao topo das estacas. Observou-se que quanto mais deformável for o solo, mais uniformes são as distribuições das reações entre as estacas e das tensões de tração nas barras das armaduras principais. Verificou-se que as configurações das bielas mudaram conforme se alterou a seção transversal do pilar, indicando a importância de se considerar esse aspecto no dimensionamento analítico dos blocos. A altura influenciou de maneira significativa na rigidez e na resistência dos blocos. No entanto, os blocos com grandes alturas não apresentaram bom comportamento estrutural e os blocos com pequenas alturas não indicaram boa distribuição das reações nas estacas, com as tensões de tração se concentrando entre as barras das armaduras entre as estacas mais próximas do pilar. Observou-se que o aumento da resistência do concreto acarretou no aumento da resistência dos blocos, porém não influenciou na rigidez de modo significativo. Os métodos analíticos que se baseiam nas verificações das resistências a momento fletor e à força cortante não foram compatíveis com o fluxo de tensões obtido, que por sua vez indicou melhor compatibilidade com o método de bielas e tirantes. Por fim, foi possível verificar a aplicabilidade de um método analítico, já existente, que emprega conceitos do método de bielas e tirantes, é simples e de fácil utilização para o dimensionamento de blocos sobre cinco e seis estacas. Esse método considera a altura dos blocos por meio do ângulo de inclinação das bielas, a variação da seção transversal do pilar e diferentes arranjos para as estacas. / This research treats about the structural behavior of reinforced concrete pile caps with five piles arranged at the trapezium vertices and with six piles in rectangular arrangement, considering centered load at column. Several analytical methods were studied for pile caps design in order to assess the compatibility between the pile caps behavior and assumptions of each method. A three-dimensional numerical analysis was developed using program based on finite element method. In pile caps studied, the deformability of soil of support piles were varied, through elastic springs, the column cross section, considering square and rectangular column, the pile caps height and the concrete resistances. The flow stress configuration, visualized in perspective, indicated the formation of discrete compressed struts connecting the column base to the piles top. It was observed that the more deformable is the soil, better uniforms are the reactions distribution between the piles and tensile stresses in the main reinforcement bars. It was found that the struts settings changed with the variation of the cross section column, indicating the importance of this variable in the analytical pile caps design. The height of the pile caps significantly affects the stiffness and strength. However, the higher pile caps did not show good structural behavior and the smaller pile cap indicated poor reactions distribution in piles, with tensile stresses concentrated among the bars reinforcement between the piles closest to the column. It was observed that the increasing in the concrete strength resulted in a higher pile caps resistance, but did not influence the stiffness significantly. The analytical methods, which are based on the resistance verification of bending moment and shear force, are not compatible with the tension flow obtained, which indicated better compatibility with the strut and tie method. Finally, it was possible to verify the applicability of a well known analytical method which uses concepts of strut and tie method, which is simple and easy to apply for five and six pile caps. This method considers the height by means of the inclination angle of struts, the column cross section variation and different piles arrangements.

Esta pesquisa discorre a respeito do comportamento estrutural de blocos de concreto armado sobre cinco estacas, dispostas nos vértices de um trapézio, e sobre seis estacas, com o arranjo retangular, considerado pilar com força centrada. Foram estudados diversos métodos analíticos para o dimensionamento dos blocos, no intuito de avaliar a compatibilidade entre o comportamento dos blocos e as hipóteses de cada método. Foi desenvolvida análise numérica tridimensional utilizando programa baseado no método dos elementos finitos. Nos blocos estudados variou-se a deformabilidade do solo de apoio das estacas, por meio de molas elásticas, a seção transversal do pilar, considerando pilar quadrado e pilar retangular, as alturas dos blocos sobre estacas e a resistência do concreto. A configuração do fluxo de tensões, vista em perspectiva, indicou a formação de bielas comprimidas discretas ligando o pilar ao topo das estacas. Observou-se que quanto mais deformável for o solo, mais uniformes são as distribuições das reações entre as estacas e das tensões de tração nas barras das armaduras principais. Verificou-se que as configurações das bielas mudaram conforme se alterou a seção transversal do pilar, indicando a importância de se considerar esse aspecto no dimensionamento analítico dos blocos. A altura influenciou de maneira significativa na rigidez e na resistência dos blocos. No entanto, os blocos com grandes alturas não apresentaram bom comportamento estrutural e os blocos com pequenas alturas não indicaram boa distribuição das reações nas estacas, com as tensões de tração se concentrando entre as barras das armaduras entre as estacas mais próximas do pilar. Observou-se que o aumento da resistência do concreto acarretou no aumento da resistência dos blocos, porém não influenciou na rigidez de modo significativo. Os métodos analíticos que se baseiam nas verificações das resistências a momento fletor e à força cortante não foram compatíveis com o fluxo de tensões obtido, que por sua vez indicou melhor compatibilidade com o método de bielas e tirantes. Por fim, foi possível verificar a aplicabilidade de um método analítico, já existente, que emprega conceitos do método de bielas e tirantes, é simples e de fácil utilização para o dimensionamento de blocos sobre cinco e seis estacas. Esse método considera a altura dos blocos por meio do ângulo de inclinação das bielas, a variação da seção transversal do pilar e diferentes arranjos para as estacas. / This research treats about the structural behavior of reinforced concrete pile caps with five piles arranged at the trapezium vertices and with six piles in rectangular arrangement, considering centered load at column. Several analytical methods were studied for pile caps design in order to assess the compatibility between the pile caps behavior and assumptions of each method. A three-dimensional numerical analysis was developed using program based on finite element method. In pile caps studied, the deformability of soil of support piles were varied, through elastic springs, the column cross section, considering square and rectangular column, the pile caps height and the concrete resistances. The flow stress configuration, visualized in perspective, indicated the formation of discrete compressed struts connecting the column base to the piles top. It was observed that the more deformable is the soil, better uniforms are the reactions distribution between the piles and tensile stresses in the main reinforcement bars. It was found that the struts settings changed with the variation of the cross section column, indicating the importance of this variable in the analytical pile caps design. The height of the pile caps significantly affects the stiffness and strength. However, the higher pile caps did not show good structural behavior and the smaller pile cap indicated poor reactions distribution in piles, with tensile stresses concentrated among the bars reinforcement between the piles closest to the column. It was observed that the increasing in the concrete strength resulted in a higher pile caps resistance, but did not influence the stiffness significantly. The analytical methods, which are based on the resistance verification of bending moment and shear force, are not compatible with the tension flow obtained, which indicated better compatibility with the strut and tie method. Finally, it was possible to verify the applicability of a well known analytical method which uses concepts of strut and tie method, which is simple and easy to apply for five and six pile caps. This method considers the height by means of the inclination angle of struts, the column cross section variation and different piles arrangements.

Blocos sobre estacas ou blocos de coroamento são elementos estruturais usados para transferir as ações da superestrutura para um conjunto de estacas. São encontrados em infra-estruturas de pontes e edifícios. O conhecimento de seu real comportamento estrutural é de fundamental importância, pois são elementos estruturais que garantem a segurança de toda a estrutura. Ainda não há consenso pelo meio técnico quanto o seu real comportamento estrutural. O processo de cálculo usualmente empregado pelo meio técnico para a determinação das reações nas estacas é o método da superposição dos efeitos. Esse método não considera a interação do elemento estrutural com o tipo solo em que as estacas estão apoiadas, nem a altura do bloco. Com a ajuda de análise numérica feita em programa de computador baseado nos métodos dos elementos finitos (MEF) foram simulados blocos variando parâmetros como a altura do bloco e os tipos de vinculação das estacas (solo). Para que houvesse a interação da estrutura com o solo foram propostos dois tipos de solos: solo deformável e solo indeformável. Os blocos analisados foram submetidos as ações de força centrada e momentos variando as suas intensidades. Os resultados mostram que o tipo de vinculação das estacas e a variação da altura do bloco modificaram significativamente o comportamento estrutural do bloco. A situação mais crítica para o bloco foi aquela em que se consideravam as estacas apoiadas em solo do tipo indeformável, chegando-se a resultados de reações nas estacas com diferenças a mais de 200%. Foi possível perceber que mesmo com solo do tipo deformável as estacas na região central do bloco foram as mais solicitadas. E em função da análise numérica conclui-se que os resultados obtidos são de grande importância. / Piles caps are structural elements used to transfer actions of the superstructure to a group of piles. They are found in infrastructures of bridges and buildings. The knowledge of its real structural behavior presents fundamental importance, once piles caps are structural elements that guarantee the safety of all the structure. There is no consensus yet between specialists on its real structural behavior. The traditional calculation process usually used to determine piles reaction is the superposition effect method. This method does not consider the interaction of the structural element with the type of soil where piles are supported, nor the height of the cap. With the aid of numerical analysis made in computer program based on the finite elements method (FEM), caps have been simulated varying parameters as caps height and the types where piles are supported (soil). In order to have the interaction of the structure with the soil, two types of soil have been considered: compressible soil and incompressible soil. The caps analyzed were submitted the action where centered force and moments have been considered varying its intensities. The results show that the type of pile support and the variation of cap height significantly modified the structural behavior of the cap. The most critical situation for the cap was that one considering the piles supported in soil incompressible, reaching results of piles\' reactions with more than 200% of differences. The piles in the central region of the cap have been the most requested on compressible soil type. In function of the numerical analysis, we conclude that the results obtained are of great importance.

Este trabalho estuda o comportamento de blocos rígidos de concreto armado sobre uma, duas, três, quatro e cinco estacas, submetidos à ação de força centrada. Com o objetivo de contribuir para critérios de projeto, utilizaram-se resultados obtidos por meio de modelos analíticos e realizou-se análise numérica utilizando-se programa baseado no método dos elementos finitos. Foi desenvolvida, ainda, uma análise comparativa entre os processos de dimensionamento adotados em projeto, na qual se verificou grande variabilidade dos resultados. Para análise numérica adotou-se comportamento do material como elástico linear e os resultados de interesse foram os fluxos de tensões em suas direções principais. Nos modelos adotados variaram-se os diâmetros de estacas e dimensões de pilar, a fim de se verificar as diferenças na formação dos campos e trajetórias de tensões. Concluiu-se que o modelo de treliça utilizado em projetos é simplificado e foram feitas algumas sugestões para a utilização de um modelo de bielas e tirantes mais refinado. Foi possível a verificação da influência da variação da geometria de estacas e de pilares no projeto de blocos sobre e a revisão dos critérios para os arranjos das armaduras principais. Para os modelos de blocos sobre cinco estacas adotados concluiu-se que o comportamento não é exatamente como considerado na prática / This work describes the behavior of rigid reinforced concrete pile-caps with one, two, three, four and five piles subjected to patches of loading on the center top surfaces of the column. Programs based on finite elements method were used to obtain numerical results and results obtained by means of analytic models were used. A comparative analysis was developed among the processes adopted in design, which large variability of the results was verified. An elastic linear behavior of the material was adopted for numerical analysis and interest results were stress paths along main directions. Piles diameters and column dimensions of the models were been varied, in order to verify the differences in the formation of the regions and trajectories of stress. It is ended that used the truss model is simplified. Some suggestions were made for the use of a more refined strut-and-tie model than the one used in design and it was possible the verification of the variation geometry of piles and columns influence. It was still made a revision of the reinforcement layouts. The conclusion for adopted five-pile-caps was that the behavior is not exactly as considered in the practice

O projeto estrutural deve considerar as incertezas provenientes das variáveis envolvidas no dimensionamento dos elementos estruturais, tais como propriedades dos materiais, dimensões dos elementos estruturais e intensidade dos carregamentos atuantes. Existe também a variabilidade inerente aos métodos de análise estrutural, originária de imprecisões na idealização da distribuição das tensões e deformações dos elementos estruturais. Sendo assim, esta dissertação visa analisar a variabilidade dos desvios dos modelos de cálculo propostos por Blevot e Frémy (1967), Fusco (1994) e Santos (2013), todos baseados no método das bielas e tirantes, para blocos sobre duas, três e quatro estacas submetidos a carregamento centrado. Estes elementos estruturais possuem significativa importância, visto que atuam na transmissão dos esforços provenientes dos pilares às fundações profundas. Os modelos de cálculo foram confrontados entre si e com resultados experimentais de Blevot e Frémy (1967), Mautoni (1971), Clarke (1973), Miguel (2000) e Suzuki et al. (1998 / 1999 / 2000 / 2001) para determinação dos parâmetros estatísticos dos desvios desses modelos em relação aos ensaios. Os resultados apontaram desempenho satisfatório para os três modelos de cálculo. Em geral, todos os métodos se mostraram favoráveis à segurança nos casos avaliados para os três tipos de blocos de fundação. / Structural design must consider the uncertainties coming from the variables involved in dimensioning of the structural elements, such as material properties, dimensions of structural elements, and intensity of active loads. There is also inherent variability in structural analysis methods, originated from imprecision in idealization of the distribution of tensions and deformations of structural elements. Thus, this dissertation aims to analyze the variability of calculation models deviations proposed by Blevot and Frémy (1967), Fusco (1994) and Santos (2013), all based on strut and tie method, for two, three and four pile caps submitted to center load. These structural elements are of significant importance, since they act in transmission of loads from columns to deep foundations. Calculation models were compared with each other and with experimental results from Blevot and Frémy (1967), Mautoni (1971), Clarke (1973), Miguel (2000) and Suzuki et al. (1998 / 1999 / 2000 / 2001) to determine the statistical parameters of these model deviations in relation to the tests. Results indicated satisfactory performance for the three calculation models. In general, all methods were favorable to safety in cases evaluated for the three pile caps types.

O projeto estrutural deve considerar as incertezas provenientes das variáveis envolvidas no dimensionamento dos elementos estruturais, tais como propriedades dos materiais, dimensões dos elementos estruturais e intensidade dos carregamentos atuantes. Existe também a variabilidade inerente aos métodos de análise estrutural, originária de imprecisões na idealização da distribuição das tensões e deformações dos elementos estruturais. Sendo assim, esta dissertação visa analisar a variabilidade dos desvios dos modelos de cálculo propostos por Blevot e Frémy (1967), Fusco (1994) e Santos (2013), todos baseados no método das bielas e tirantes, para blocos sobre duas, três e quatro estacas submetidos a carregamento centrado. Estes elementos estruturais possuem significativa importância, visto que atuam na transmissão dos esforços provenientes dos pilares às fundações profundas. Os modelos de cálculo foram confrontados entre si e com resultados experimentais de Blevot e Frémy (1967), Mautoni (1971), Clarke (1973), Miguel (2000) e Suzuki et al. (1998 / 1999 / 2000 / 2001) para determinação dos parâmetros estatísticos dos desvios desses modelos em relação aos ensaios. Os resultados apontaram desempenho satisfatório para os três modelos de cálculo. Em geral, todos os métodos se mostraram favoráveis à segurança nos casos avaliados para os três tipos de blocos de fundação. / Structural design must consider the uncertainties coming from the variables involved in dimensioning of the structural elements, such as material properties, dimensions of structural elements, and intensity of active loads. There is also inherent variability in structural analysis methods, originated from imprecision in idealization of the distribution of tensions and deformations of structural elements. Thus, this dissertation aims to analyze the variability of calculation models deviations proposed by Blevot and Frémy (1967), Fusco (1994) and Santos (2013), all based on strut and tie method, for two, three and four pile caps submitted to center load. These structural elements are of significant importance, since they act in transmission of loads from columns to deep foundations. Calculation models were compared with each other and with experimental results from Blevot and Frémy (1967), Mautoni (1971), Clarke (1973), Miguel (2000) and Suzuki et al. (1998 / 1999 / 2000 / 2001) to determine the statistical parameters of these model deviations in relation to the tests. Results indicated satisfactory performance for the three calculation models. In general, all methods were favorable to safety in cases evaluated for the three pile caps types.

Este trabalho estuda o comportamento de blocos rígidos de concreto armado sobre uma, duas, três, quatro e cinco estacas, submetidos à ação de força centrada. Com o objetivo de contribuir para critérios de projeto, utilizaram-se resultados obtidos por meio de modelos analíticos e realizou-se análise numérica utilizando-se programa baseado no método dos elementos finitos. Foi desenvolvida, ainda, uma análise comparativa entre os processos de dimensionamento adotados em projeto, na qual se verificou grande variabilidade dos resultados. Para análise numérica adotou-se comportamento do material como elástico linear e os resultados de interesse foram os fluxos de tensões em suas direções principais. Nos modelos adotados variaram-se os diâmetros de estacas e dimensões de pilar, a fim de se verificar as diferenças na formação dos campos e trajetórias de tensões. Concluiu-se que o modelo de treliça utilizado em projetos é simplificado e foram feitas algumas sugestões para a utilização de um modelo de bielas e tirantes mais refinado. Foi possível a verificação da influência da variação da geometria de estacas e de pilares no projeto de blocos sobre e a revisão dos critérios para os arranjos das armaduras principais. Para os modelos de blocos sobre cinco estacas adotados concluiu-se que o comportamento não é exatamente como considerado na prática / This work describes the behavior of rigid reinforced concrete pile-caps with one, two, three, four and five piles subjected to patches of loading on the center top surfaces of the column. Programs based on finite elements method were used to obtain numerical results and results obtained by means of analytic models were used. A comparative analysis was developed among the processes adopted in design, which large variability of the results was verified. An elastic linear behavior of the material was adopted for numerical analysis and interest results were stress paths along main directions. Piles diameters and column dimensions of the models were been varied, in order to verify the differences in the formation of the regions and trajectories of stress. It is ended that used the truss model is simplified. Some suggestions were made for the use of a more refined strut-and-tie model than the one used in design and it was possible the verification of the variation geometry of piles and columns influence. It was still made a revision of the reinforcement layouts. The conclusion for adopted five-pile-caps was that the behavior is not exactly as considered in the practice