In the present work, a settlement-based method is proposed to design piled raft foundation. The proposed design method is found to be very efficient, economical and requires less calculation time. Simple software can be used to execute all the interactions and loop calculations.<p>Unlike methods with numerical techniques, there are practically no limitations for the number of individual piles under the raft, size of the group and the group shape or layout. It can also be applied to piles with different length or piles that are located within multi-layered soils.<p>The raft is designed first according to the allowable settlement that is pre-defined by the structural requirements and with the necessary factor of safety. When raft suffers excessive settlement, then the load that causes excess raft settlement beyond the required limit is to be transferred to the fully mobilised frictional piles. <p>The fully mobilised shaft (with no end bearing) piles are designed with factor of safety close to unity since their function is only to reduce raft settlement and since the raft has an adequate bearing capacity.<p>Geometry of these piles is chosen to fully mobilise their shafts capacity with low settlement level in order to comply with load/settlement requirement and reduce raft settlement to the pre-defined level. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Analisam-se problemas de interação solo-estrutura através de uma formulação tridimensional obtida da combinação entre o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o Método dos Elementos Finitos (MEF). Os elementos estruturais que interagem com o solo são modelados pelo Método dos Elementos Finitos. E o solo, considerado como um meio semi-infinito, homogêneo, elástico linear e isotrópico, é modelado pelo Método dos Elementos de Contorno, empregando a solução fundamental de Mindlin. A solução fundamental de Mindlin é particularmente adequada para o tipo de problemas em análise, ou seja, problemas envolvendo sólidos tridimensionais semi-infinitos, já que é necessário discretizar apenas a superfície carregada do solo e/ou a linha de carga, e não todo o sólido tridimensional. A discretização da estaca em vários elementos finitos de viga tridimensional, permitindo a consideração de estacas de qualquer tamanho e submetidas a qualquer tipo de carregamento é uma das principais contribuições do trabalho. Outra contribuição diz respeito à consideração da ação horizontal no sistema placa-estaca-solo, diretamente aplicada na placa, e não redistribuída no topo das estacas. Por isso, os elementos estruturais laminares (radiers, sapatas e blocos de fundação) são modelados por elementos finitos de casca plana, possibilitando a consideração dos efeitos de flexão e de membrana. Essa abordagem permite a análise tanto de um grupo de estacas com bloco de capeamento rígido quanto de um radier estaqueado de qualquer rigidez. O acoplamento entre o MEC e o MEF é feito através de uma formulação mista em que a matriz dos coeficientes de influência do solo obtida pelo MEC é adicionada à matriz de rigidez dos elementos estruturais obtida pelo MEF, resultando em uma matriz de rigidez equivalente. Exemplos numéricos de interação estaca-solo, placa-solo e casca plana-estaca-solo são resolvidos para verificar, validar e demonstrar a eficiência das formulações desenvolvidas e implementadas. / Soil-structure interaction problems are analyzed by a tridimensional formulation obtained combining the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM). Structural elements that interact with the soil are modeled by the Finite Element Method. And the soil, considered as a semi-infinite, homogeneous, linear elastic and isotropic medium, is modeled by the Boundary Element Method, using Mindlin\'s fundamental solution. Mindlin\'s fundamental solution is particularly suitable for the type of problems under analysis, viz. problems involving semi-infinite three-dimensional solids, since it is necessary to discretize only the loaded surface of the soil and/or the line-load, and not all the three-dimensional solid. The discretization of the pile in several three-dimensional beam finite elements, allowing the consideration of piles of any size and subjected to any type of loading, is one of the main contributions of this work. Another contribution is about the consideration of the horizontal load in the plate-pile-soil system, directly applied to the plate, and not redistributed on the top of the piles. Therefore, the laminar structural elements (rafts, footings, and foundation blocks) are modeled by flat shell finite elements, making possible the consideration of the effects of flexion and membrane. This approach allows the analysis of both a capped pile group and a piled raft of any stiffness. The coupling between the BEM and the FEM is performed through a mixed formulation in which the matrix of the soil\'s influence coefficients obtained by the BEM is added to the stiffness matrix of the structural elements obtained by the FEM, resulting in an equivalent stiffness matrix. Numerical examples of pile-soil, plate-soil and flat shell-pile-soil interaction are solved to verify, validate and demonstrate the efficiency of the developed and implemented formulations.

[pt] O comportamento de radiers estaqueados submetidos a carregamento vertical é estudado nesse trabalho. O método de análise é baseado no método dos elementos finitos, através da utilização do programa ABAQUS. Estimativas de valores de recalque ao longo de três seções distintas e distribuição de forças nos topos das estacas são obtidas para diversas configurações de radiers estaqueados em meio homogêneo com diferentes quantidades e arranjos de estacas, para os quais são adotados diferentes comprimentos relativos das estacas L/d, coeficientes de Poisson do solo Vs e espessuras do radier. A maior parte do recalque ocorre imediatamente após a construção, sendo que os recalques por adensamento se apresentam maiores no centro do que na borda do radier. Uma considerável parcela da carga aplicada é transferida diretamente ao solo através do radier, especialmente sob condições não-drenadas. Para condições drenadas essa proporção é reduzida, mostrando que o efeito do coeficiente de Poisson do solo na distribuição de cargas é bastante significativo. A posição das estacas no radier afetam diretamente a proporção da carga transmitida diretamente do radier para o solo, sendo este efeito mais representativo à medida que aumentam o comprimento relativo das estacas e a rigidez do radier. Análises de capacidade de carga são realizadas em condições não-drenadas para todas as configurações avaliadas, mostrando que o aumento na rigidez do radier contribui significativamente para o aumento dos coeficientes de segurança das estacas. / [en] The behaviour of vertically loaded piled rafts is studied in this research. The main objective of this thesis is to analyse the behaviour of a piled raft foundation system acting on a homogeneous half-space subjected to vertical loading. The analysis is based on finite element method by using of the computational program ABAQUS. The evaluation of settlements along three main sections and the load distribution on pile top were obtained for several piled raft configurations in single layered soil profile with different pile number and position, considering different values of pile slenderness ratio, soil Poisson s ratio and also of raft thickness. It has been shown that the major component of the total settlement takes place immediately after the loading application and the component of the consolidation settlement are bigger close to the raft centre than values at the raft edge. A big part of the total applied load is directly transferred to the subsoil by the raft, which becomes more significant under undrained conditions. For drained conditions this ratio decreases, which have shown that the soil Poisson s ratio influence at the load distribution is significant. The pile position under the raft influences the percentage of the load transferred directly to the subsoil by the raft. This influence becomes more significant with the increase of the pile slenderness ratio and of the raft stiffness. The bearing capacity of the piled raft configurations for undrained conditions was evaluated, which have indicated that the increase of the raft stiffness contributes to the increase of the pile safety factors.

Analisam-se problemas de interação solo-estrutura através de uma formulação tridimensional obtida da combinação entre o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o Método dos Elementos Finitos (MEF). Os elementos estruturais que interagem com o solo são modelados pelo Método dos Elementos Finitos. E o solo, considerado como um meio semi-infinito, homogêneo, elástico linear e isotrópico, é modelado pelo Método dos Elementos de Contorno, empregando a solução fundamental de Mindlin. A solução fundamental de Mindlin é particularmente adequada para o tipo de problemas em análise, ou seja, problemas envolvendo sólidos tridimensionais semi-infinitos, já que é necessário discretizar apenas a superfície carregada do solo e/ou a linha de carga, e não todo o sólido tridimensional. A discretização da estaca em vários elementos finitos de viga tridimensional, permitindo a consideração de estacas de qualquer tamanho e submetidas a qualquer tipo de carregamento é uma das principais contribuições do trabalho. Outra contribuição diz respeito à consideração da ação horizontal no sistema placa-estaca-solo, diretamente aplicada na placa, e não redistribuída no topo das estacas. Por isso, os elementos estruturais laminares (radiers, sapatas e blocos de fundação) são modelados por elementos finitos de casca plana, possibilitando a consideração dos efeitos de flexão e de membrana. Essa abordagem permite a análise tanto de um grupo de estacas com bloco de capeamento rígido quanto de um radier estaqueado de qualquer rigidez. O acoplamento entre o MEC e o MEF é feito através de uma formulação mista em que a matriz dos coeficientes de influência do solo obtida pelo MEC é adicionada à matriz de rigidez dos elementos estruturais obtida pelo MEF, resultando em uma matriz de rigidez equivalente. Exemplos numéricos de interação estaca-solo, placa-solo e casca plana-estaca-solo são resolvidos para verificar, validar e demonstrar a eficiência das formulações desenvolvidas e implementadas. / Soil-structure interaction problems are analyzed by a tridimensional formulation obtained combining the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM). Structural elements that interact with the soil are modeled by the Finite Element Method. And the soil, considered as a semi-infinite, homogeneous, linear elastic and isotropic medium, is modeled by the Boundary Element Method, using Mindlin\'s fundamental solution. Mindlin\'s fundamental solution is particularly suitable for the type of problems under analysis, viz. problems involving semi-infinite three-dimensional solids, since it is necessary to discretize only the loaded surface of the soil and/or the line-load, and not all the three-dimensional solid. The discretization of the pile in several three-dimensional beam finite elements, allowing the consideration of piles of any size and subjected to any type of loading, is one of the main contributions of this work. Another contribution is about the consideration of the horizontal load in the plate-pile-soil system, directly applied to the plate, and not redistributed on the top of the piles. Therefore, the laminar structural elements (rafts, footings, and foundation blocks) are modeled by flat shell finite elements, making possible the consideration of the effects of flexion and membrane. This approach allows the analysis of both a capped pile group and a piled raft of any stiffness. The coupling between the BEM and the FEM is performed through a mixed formulation in which the matrix of the soil\'s influence coefficients obtained by the BEM is added to the stiffness matrix of the structural elements obtained by the FEM, resulting in an equivalent stiffness matrix. Numerical examples of pile-soil, plate-soil and flat shell-pile-soil interaction are solved to verify, validate and demonstrate the efficiency of the developed and implemented formulations.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:18:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Denise Vaz de Campos.pdf: 1915158 bytes, checksum: a102b2411e2e162cde4e66eeca8bc624 (MD5) Previous issue date: 2011-08-22 / The structural sizing pile caps on piles has traditionally been run in simplified manner, disregarding the three-dimensional effect of structural piece. Use the concept of piled cap in calculating enriches scalability providing an understanding of internal efforts on the basis of a distribution of more realistic reactions in the block. The goal of this work was to check the differences in structural sizing pile caps using traditional methods and two numerical methods, one based on finite elements and other hybrid that combines finite elements with elements of the boundary. The main comparison between methods was the internal moment generated in the block after the application of vertical load, for being one of the main parameters of scaling of the armature. In Brazil the scaling manual methods most used are based on the theory of rods or theory of beams. The method of connecting rods, and rods considers inside the block, at the bottom, tensile stress that are combated by frame, and method of the beams is calculated as an internal moment found by reaction of piles and the lever arms to the section you want, and then the block is sized like a beam. The numerical methods presented using the concept of piled raft in scale of blocks. In numerical methods have been used DIANA and GARP programs, which provide internal moments throughout the block of three-dimensional shape and thus were made a comparison with the manual method by the theory of beams. Were simulated blocks with 2, 4, 9, 25, 64 and 81 piles with loads applied in different ways for an assessment of the effect of the size of blocks, of the comparisons performed can be observed that in the manual method and numerical methods total found moments are very close, but with a differentiated distribution along the sections of the blocks, which becomes more apparent as it increases the amount of piles per block. For the manual methods in the center of the block the internal moments are inferior to scaled as piled raft, necessitating an additional frame in this region. / Tradicionalmente, o dimensionamento estrutural de blocos sobre estacas tem sido executado de forma simplificada, desconsiderando o efeito tridimensional da peça estrutural. Utilizar o conceito de radier estaqueado no cálculo enriquece o dimensionamento proporcionando um conhecimento dos esforços internos com base numa distribuição de reações mais realistas no bloco. O objetivo deste trabalho foi de verificar as diferenças no dimensionamento estrutural de blocos sobre estacas utilizando os métodos tradicionais e dois métodos numéricos, um baseado em elementos finitos e outro híbrido que combina elementos finitos com elementos de contorno. A principal comparação entre os métodos foi o momento interno gerado no bloco após a aplicação de carga vertical, por ser um dos principais parâmetros de dimensionamento da armação. No Brasil, os métodos manuais de dimensionamento mais utilizados são baseados na teoria das bielas ou teoria das vigas. O método das bielas e tirantes considera, no interior do bloco, na parte inferior, tensões de tração que são combatidas pela armação, e no método das vigas é calculado um momento interno encontrado pela reação das estacas e os braços de alavanca até a seção desejada e o bloco é dimensionado como uma viga. Os métodos numéricos apresentados utilizam o conceito de radier estaqueado no dimensionamento dos blocos. Nos métodos numéricos foram utilizados os programas DIANA e GARP, que fornecem os momentos internos em todo o bloco de forma tridimensional. E os resultados foram comparados com o método manual pela teoria das vigas. Foram simulados blocos com 2, 4, 9, 25, 64 e 81 estacas com cargas aplicadas de distintas formas para uma avaliação do efeito do tamanho dos blocos. Das comparações executadas observou-se que no método manual e nos métodos numéricos os momentos totais encontrados são muito próximos, porém com uma distribuição diferenciada ao longo das seções dos blocos, que se torna mais evidente à medida que se aumenta a quantidade de estacas por bloco. Para os métodos manuais no centro do bloco os momentos internos são inferiores aos dimensionados como radier estaqueado, necessitando de uma armação complementar nesta região.