Helical anchors, used widely to resist uplift loading for a variety of applications, including in transmission towers, pipelines, offshore structures, etc., are subjected to environmental cyclic loads that influence the anchor performance and may induce fatigue failure. However, the influence of cyclic loading on helical anchor behaviour is unknown. A comprehensive evaluation of the effect of cyclic loading on the load-displacement response of single-helix anchors in sandy soils is presented here, including an interaction diagram to help designers evaluate the impact of different conditions in cyclic loadings. The experimental work of this thesis includes geotechnical centrifuge modelling and field load tests. The centrifuge model tests were carried out with reduced scale models of helical anchors in sand, at IFSTTAR (Nantes, France). The field load tests were performed on helical anchors installed in a tropical residual soil of the Experimental Site of the University of São Paulo (São Carlos, Brazil). In addition, numerical modelling was used to predict the pre- and postcyclic responses of the single-helix anchors tested in a centrifuge. The main findings of this research are: (a) helical anchor behaviour is governed by helix bearing resistance, and no loss of helix bearing capacity was observed in the range of cyclic loadings tested, (b) the degradation of shaft resistance was noticed mainly during the first 100 cycles, when the accumulation of permanent displacements is more significant, (c) an interaction diagram showing the different conditions of cyclic stability is proposed from the results of the experimental data, (d) modified values of the bearing capacity factor in tension (Nq) are suggested for the estimation of post-cyclic uplift capacity of single-helix anchors in sand, (e) the installation effect of the anchor should be taken into account in the numerical model in order to obtain reliable predictions of the helical anchor performance. / As estacas helicoidais são largamente utilizadas para resistir a carregamentos de tração em uma variedade de aplicações como torres de linhas de transmissão de energia, dutos enterrados, estruturas offshore, etc. Estes tipos de estruturas são normalmente submetidos a carregamentos cíclicos que influenciam o desempenho de fundações por estacas helicoidais submetidas a esforços de tração, e podem induzir ruptura por degradação da capacidade de carga. Contudo, a influência do carregamento cíclico no comportamento das estacas helicoidais (ou ancoragens helicoidais, quando submetidas apenas a esforços de tração) é pouco conhecida. Uma avaliação abrangente do efeito de carregamentos cíclicos sobre o comportamento das ancoragens helicoidais é apresentada nesta tese, incluindo um diagrama de interação para auxiliar na avaliação do impacto de diferentes condições de carregamento cíclico. O trabalho experimental desta tese inclui modelagem em centrífuga geotécnica e ensaios de carregamento cíclico em estacas na grandeza real em campo. Os ensaios em centrífuga foram realizados com modelos reduzidos de estacas helicoidais em areia, no IFSTTAR (Nantes, França). Os ensaios de campo foram realizados em ancoragens helicoidais instaladas no solo residual tropical do Campo Experimental de Fundações da Universidade de São Paulo (São Carlos, Brasil). Além disso, modelos numéricos foram utilizados para simular os resultados do comportamento das ancoragens helicoidais ensaiadas em centrífuga nas condições pré- e pós-ciclos. Os principais resultados desta pesquisa são: (a) a capacidade de carga à tração da ancoragem helicoidal é controlada pela capacidade de carga da hélice, (b) a degradação da resistência por atrito lateral foi observada principalmente durante os primeiros 100 ciclos, período em que a acumulação dos deslocamentos permanentes é mais significante, (c) um diagrama de interação mostrando as diferentes condições de estabilidade cíclica é proposto a partir dos resultados experimentais em centrífuga, (d) valores modificados do fator de capacidade de carga em tração (Nq) são sugeridos para estimativa da capacidade pós-ciclos de ancoragens helicoidais com uma hélice em areia, (e) o efeito da instalação da ancoragem deve ser levado em consideração no modelo numérico para que se obtenha previsões confiáveis do desempenho de ancoragens helicoidais.

Helical anchors, used widely to resist uplift loading for a variety of applications, including in transmission towers, pipelines, offshore structures, etc., are subjected to environmental cyclic loads that influence the anchor performance and may induce fatigue failure. However, the influence of cyclic loading on helical anchor behaviour is unknown. A comprehensive evaluation of the effect of cyclic loading on the load-displacement response of single-helix anchors in sandy soils is presented here, including an interaction diagram to help designers evaluate the impact of different conditions in cyclic loadings. The experimental work of this thesis includes geotechnical centrifuge modelling and field load tests. The centrifuge model tests were carried out with reduced scale models of helical anchors in sand, at IFSTTAR (Nantes, France). The field load tests were performed on helical anchors installed in a tropical residual soil of the Experimental Site of the University of São Paulo (São Carlos, Brazil). In addition, numerical modelling was used to predict the pre- and postcyclic responses of the single-helix anchors tested in a centrifuge. The main findings of this research are: (a) helical anchor behaviour is governed by helix bearing resistance, and no loss of helix bearing capacity was observed in the range of cyclic loadings tested, (b) the degradation of shaft resistance was noticed mainly during the first 100 cycles, when the accumulation of permanent displacements is more significant, (c) an interaction diagram showing the different conditions of cyclic stability is proposed from the results of the experimental data, (d) modified values of the bearing capacity factor in tension (Nq) are suggested for the estimation of post-cyclic uplift capacity of single-helix anchors in sand, (e) the installation effect of the anchor should be taken into account in the numerical model in order to obtain reliable predictions of the helical anchor performance. / As estacas helicoidais são largamente utilizadas para resistir a carregamentos de tração em uma variedade de aplicações como torres de linhas de transmissão de energia, dutos enterrados, estruturas offshore, etc. Estes tipos de estruturas são normalmente submetidos a carregamentos cíclicos que influenciam o desempenho de fundações por estacas helicoidais submetidas a esforços de tração, e podem induzir ruptura por degradação da capacidade de carga. Contudo, a influência do carregamento cíclico no comportamento das estacas helicoidais (ou ancoragens helicoidais, quando submetidas apenas a esforços de tração) é pouco conhecida. Uma avaliação abrangente do efeito de carregamentos cíclicos sobre o comportamento das ancoragens helicoidais é apresentada nesta tese, incluindo um diagrama de interação para auxiliar na avaliação do impacto de diferentes condições de carregamento cíclico. O trabalho experimental desta tese inclui modelagem em centrífuga geotécnica e ensaios de carregamento cíclico em estacas na grandeza real em campo. Os ensaios em centrífuga foram realizados com modelos reduzidos de estacas helicoidais em areia, no IFSTTAR (Nantes, França). Os ensaios de campo foram realizados em ancoragens helicoidais instaladas no solo residual tropical do Campo Experimental de Fundações da Universidade de São Paulo (São Carlos, Brasil). Além disso, modelos numéricos foram utilizados para simular os resultados do comportamento das ancoragens helicoidais ensaiadas em centrífuga nas condições pré- e pós-ciclos. Os principais resultados desta pesquisa são: (a) a capacidade de carga à tração da ancoragem helicoidal é controlada pela capacidade de carga da hélice, (b) a degradação da resistência por atrito lateral foi observada principalmente durante os primeiros 100 ciclos, período em que a acumulação dos deslocamentos permanentes é mais significante, (c) um diagrama de interação mostrando as diferentes condições de estabilidade cíclica é proposto a partir dos resultados experimentais em centrífuga, (d) valores modificados do fator de capacidade de carga em tração (Nq) são sugeridos para estimativa da capacidade pós-ciclos de ancoragens helicoidais com uma hélice em areia, (e) o efeito da instalação da ancoragem deve ser levado em consideração no modelo numérico para que se obtenha previsões confiáveis do desempenho de ancoragens helicoidais.