Os ensaios de palheta são frequentemente utilizados na estimativa da resistência não-drenada de depósitos de argilas moles devido à simplicidade do equipamento, rapidez de execução e baixo custo. A velocidade de deformação em ensaios de palheta de campo é, geralmente, de 6º/min. Contudo, os resultados destes ensaios são influenciados por vários fatores e, dentre eles, a velocidade de rotação pode ser considerada um dos mais importantes. Sob condições não-drenadas, os materiais argilosos apresentam ganho de resistência não-drenada com o aumento da velocidade de cisalhamento, resultante da viscosidade da água adsorvida nas partículas de solo. Como o ensaio de palheta tem sido cada vez mais utilizado para estimar a resistência não-drenada de outros solos de granulometria fina, como siltes, resíduos de mineração entre outros, é preciso ter cautela na interpretação dos resultados nestes materiais, pois a utilização da velocidade padrão de campo pode levar à ocorrência de drenagem parcial durante o cisalhamento e, nestes casos, os solos apresentam resistência e rigidez maiores que sob condições não-drenadas. Desta forma, o objetivo deste trabalho consiste na avaliação da influência da velocidade de rotação do ensaio de palheta na resistência dos solos. Foram realizados ensaios de palheta, utilizando palhetas de 20,2, 25,5 e 40,0 mm de diâmetro e com relação altura-diâmetro igual a 2 a velocidades de rotação de 0,68 a 10800o/min, utilizando três misturas compostas por 85% caulim e 15% bentonita com 100, 130% e 160% de umidade (argilosas), uma mistura composta por caulim puro a 50% de umidade (silte) e uma mistura composta por 60% caulim e 40% areia com 40% de umidade (silte). A partir dos resultados dos ensaios de palheta, observou-se que a resistência não-drenada aumenta com a velocidade, sob condições não-drenadas, tanto para os solos argilosos quanto para os siltosos. A resistência não-drenada também é influenciada pelo diâmetro da palheta e pelo índice de vazios do solo, e consequentemente pelo seu teor de umidade. A resposta viscosa dos ensaios de palheta ao longo de toda a faixa não-drenada pode ser descrita por uma equação potencial (para valores de velocidade adimensional maiores que 10). Os solos siltosos, especialmente a argila misturada com areia, também apresentam aumento de resistência com o aumento da velocidade, sob condições não-drenadas, mais pronunciado que para os solos argilosos. Entretanto, a pequenas velocidades, uma parcela do excesso de poro pressão gerado durante a rotação da palheta foi dissipado, ocasionando efeitos de drenagem parcial durante o cisalhamento. O torque medido durante os ensaios é influenciado pelas dimensões da palheta. Porém, não foi verificada qualquer tendência de variação na resistência normalizada (T/Tref) decorrente das dimensões da palheta. A velocidade normalizada (V) considera diretamente, além da velocidade, a geometria da palheta e o coeficiente de adensamento do solo e reflete os efeitos de permeabilidade, rigidez e velocidade de cisalhamento, fatores que também controlam a viscosidade. Desta forma, os efeitos viscosos dos ensaios de palheta são representados com precisão no espaço normalizado. Além da avaliação dos efeitos de velocidade devido a viscosidade, a normalização dos resultados no espaço T/Tref versus V possibilita também a avaliação dos efeitos de drenagem parcial. Ou seja, dois fenômenos físicos distintos podem ser identificados e interpretados utilizando a mesma abordagem. / Vane tests are frequently used to estimate the undrained shear strength of soft clays deposits because of the equipment simplicity, speed and low costs. The strain rate used in vane shear tests is generally of 6o/min. However, vane tests results are influenced by many factors and rate of shear can be considered one of the most important. Under undrained conditions, undrained shear strength of clayey soils increases with shear velocity. This increase on undrained shear strength occurs due to viscous effects. Furthermore, this method has been used to estimate the undrained shear strength of other fine-grained materials such as silts, tailings, among others. Tests results interpretation must to be careful on these materials, because partial drainage can occur during shear tests conducted at the standard field shear rate. In this cases, soil strength and stiffness are higher than under undrained conditions. Thus, this research is aimed to evaluate the influence of the vane shear velocity in soils strength. Vane tests were conducted using vanes with 20.2, 25.5 and 40.0 mm in diameter and with aspect ratio of 2, at rotation rates from 0.68 to 1800o/min using three kaolin-bentonite mixtures composed by 85% kaolin and 15% bentonite with a water content of 100, 130 and 160% (clay), a mixture composed just by kaolin with a 50% water content (silt) and a mixture composed by 60% kaolin and 40% Osório sand with a 40% water content (silt). Tests results shows that clay and silt strength increases with shear rate, under undrained conditions. Undrained shear strength is also influenced by vane diameter and soil void ratio, and consequently by water content. Viscous response on vane tests throughout the undrained range of velocities can be described by a power law (for normalized velocity values further than 10). Silty soils, especially clay-sand mixtures under undrained conditions, exhibited a greater increase on strength than the increased observed for clayey soils. Neverthless, in some tests conducted at low shear velocities, part of pore pressure excess generated during vane rotation was dissipated, occasioning partial drainage effects during shear. The measured torque has been influenced by vane blade dimensions, but any variation on normalized resistance (T/Tref) wasn’t found as a result of vane dimensions. Normalized velocity considers directly peripheral velocity, vane geometry and soil coeficient of consolidation and reflects permeability, stifness and shear rate effects, factors that also control viscous effects. Thus, viscous effects in vane tests are accurately represented on normalized space. In addiction to rate effects due to viscosity evaluation, results normalization on T/Tref versus V space enable partial drainage effects assessment. It shows that the two distinct physical phenomena can be identified and interpreted using one single approach.

Os ensaios de palheta são frequentemente utilizados na estimativa da resistência não-drenada de depósitos de argilas moles devido à simplicidade do equipamento, rapidez de execução e baixo custo. A velocidade de deformação em ensaios de palheta de campo é, geralmente, de 6º/min. Contudo, os resultados destes ensaios são influenciados por vários fatores e, dentre eles, a velocidade de rotação pode ser considerada um dos mais importantes. Sob condições não-drenadas, os materiais argilosos apresentam ganho de resistência não-drenada com o aumento da velocidade de cisalhamento, resultante da viscosidade da água adsorvida nas partículas de solo. Como o ensaio de palheta tem sido cada vez mais utilizado para estimar a resistência não-drenada de outros solos de granulometria fina, como siltes, resíduos de mineração entre outros, é preciso ter cautela na interpretação dos resultados nestes materiais, pois a utilização da velocidade padrão de campo pode levar à ocorrência de drenagem parcial durante o cisalhamento e, nestes casos, os solos apresentam resistência e rigidez maiores que sob condições não-drenadas. Desta forma, o objetivo deste trabalho consiste na avaliação da influência da velocidade de rotação do ensaio de palheta na resistência dos solos. Foram realizados ensaios de palheta, utilizando palhetas de 20,2, 25,5 e 40,0 mm de diâmetro e com relação altura-diâmetro igual a 2 a velocidades de rotação de 0,68 a 10800o/min, utilizando três misturas compostas por 85% caulim e 15% bentonita com 100, 130% e 160% de umidade (argilosas), uma mistura composta por caulim puro a 50% de umidade (silte) e uma mistura composta por 60% caulim e 40% areia com 40% de umidade (silte). A partir dos resultados dos ensaios de palheta, observou-se que a resistência não-drenada aumenta com a velocidade, sob condições não-drenadas, tanto para os solos argilosos quanto para os siltosos. A resistência não-drenada também é influenciada pelo diâmetro da palheta e pelo índice de vazios do solo, e consequentemente pelo seu teor de umidade. A resposta viscosa dos ensaios de palheta ao longo de toda a faixa não-drenada pode ser descrita por uma equação potencial (para valores de velocidade adimensional maiores que 10). Os solos siltosos, especialmente a argila misturada com areia, também apresentam aumento de resistência com o aumento da velocidade, sob condições não-drenadas, mais pronunciado que para os solos argilosos. Entretanto, a pequenas velocidades, uma parcela do excesso de poro pressão gerado durante a rotação da palheta foi dissipado, ocasionando efeitos de drenagem parcial durante o cisalhamento. O torque medido durante os ensaios é influenciado pelas dimensões da palheta. Porém, não foi verificada qualquer tendência de variação na resistência normalizada (T/Tref) decorrente das dimensões da palheta. A velocidade normalizada (V) considera diretamente, além da velocidade, a geometria da palheta e o coeficiente de adensamento do solo e reflete os efeitos de permeabilidade, rigidez e velocidade de cisalhamento, fatores que também controlam a viscosidade. Desta forma, os efeitos viscosos dos ensaios de palheta são representados com precisão no espaço normalizado. Além da avaliação dos efeitos de velocidade devido a viscosidade, a normalização dos resultados no espaço T/Tref versus V possibilita também a avaliação dos efeitos de drenagem parcial. Ou seja, dois fenômenos físicos distintos podem ser identificados e interpretados utilizando a mesma abordagem. / Vane tests are frequently used to estimate the undrained shear strength of soft clays deposits because of the equipment simplicity, speed and low costs. The strain rate used in vane shear tests is generally of 6o/min. However, vane tests results are influenced by many factors and rate of shear can be considered one of the most important. Under undrained conditions, undrained shear strength of clayey soils increases with shear velocity. This increase on undrained shear strength occurs due to viscous effects. Furthermore, this method has been used to estimate the undrained shear strength of other fine-grained materials such as silts, tailings, among others. Tests results interpretation must to be careful on these materials, because partial drainage can occur during shear tests conducted at the standard field shear rate. In this cases, soil strength and stiffness are higher than under undrained conditions. Thus, this research is aimed to evaluate the influence of the vane shear velocity in soils strength. Vane tests were conducted using vanes with 20.2, 25.5 and 40.0 mm in diameter and with aspect ratio of 2, at rotation rates from 0.68 to 1800o/min using three kaolin-bentonite mixtures composed by 85% kaolin and 15% bentonite with a water content of 100, 130 and 160% (clay), a mixture composed just by kaolin with a 50% water content (silt) and a mixture composed by 60% kaolin and 40% Osório sand with a 40% water content (silt). Tests results shows that clay and silt strength increases with shear rate, under undrained conditions. Undrained shear strength is also influenced by vane diameter and soil void ratio, and consequently by water content. Viscous response on vane tests throughout the undrained range of velocities can be described by a power law (for normalized velocity values further than 10). Silty soils, especially clay-sand mixtures under undrained conditions, exhibited a greater increase on strength than the increased observed for clayey soils. Neverthless, in some tests conducted at low shear velocities, part of pore pressure excess generated during vane rotation was dissipated, occasioning partial drainage effects during shear. The measured torque has been influenced by vane blade dimensions, but any variation on normalized resistance (T/Tref) wasn’t found as a result of vane dimensions. Normalized velocity considers directly peripheral velocity, vane geometry and soil coeficient of consolidation and reflects permeability, stifness and shear rate effects, factors that also control viscous effects. Thus, viscous effects in vane tests are accurately represented on normalized space. In addiction to rate effects due to viscosity evaluation, results normalization on T/Tref versus V space enable partial drainage effects assessment. It shows that the two distinct physical phenomena can be identified and interpreted using one single approach.

Os ensaios de palheta são frequentemente utilizados na estimativa da resistência não-drenada de depósitos de argilas moles devido à simplicidade do equipamento, rapidez de execução e baixo custo. A velocidade de deformação em ensaios de palheta de campo é, geralmente, de 6º/min. Contudo, os resultados destes ensaios são influenciados por vários fatores e, dentre eles, a velocidade de rotação pode ser considerada um dos mais importantes. Sob condições não-drenadas, os materiais argilosos apresentam ganho de resistência não-drenada com o aumento da velocidade de cisalhamento, resultante da viscosidade da água adsorvida nas partículas de solo. Como o ensaio de palheta tem sido cada vez mais utilizado para estimar a resistência não-drenada de outros solos de granulometria fina, como siltes, resíduos de mineração entre outros, é preciso ter cautela na interpretação dos resultados nestes materiais, pois a utilização da velocidade padrão de campo pode levar à ocorrência de drenagem parcial durante o cisalhamento e, nestes casos, os solos apresentam resistência e rigidez maiores que sob condições não-drenadas. Desta forma, o objetivo deste trabalho consiste na avaliação da influência da velocidade de rotação do ensaio de palheta na resistência dos solos. Foram realizados ensaios de palheta, utilizando palhetas de 20,2, 25,5 e 40,0 mm de diâmetro e com relação altura-diâmetro igual a 2 a velocidades de rotação de 0,68 a 10800o/min, utilizando três misturas compostas por 85% caulim e 15% bentonita com 100, 130% e 160% de umidade (argilosas), uma mistura composta por caulim puro a 50% de umidade (silte) e uma mistura composta por 60% caulim e 40% areia com 40% de umidade (silte). A partir dos resultados dos ensaios de palheta, observou-se que a resistência não-drenada aumenta com a velocidade, sob condições não-drenadas, tanto para os solos argilosos quanto para os siltosos. A resistência não-drenada também é influenciada pelo diâmetro da palheta e pelo índice de vazios do solo, e consequentemente pelo seu teor de umidade. A resposta viscosa dos ensaios de palheta ao longo de toda a faixa não-drenada pode ser descrita por uma equação potencial (para valores de velocidade adimensional maiores que 10). Os solos siltosos, especialmente a argila misturada com areia, também apresentam aumento de resistência com o aumento da velocidade, sob condições não-drenadas, mais pronunciado que para os solos argilosos. Entretanto, a pequenas velocidades, uma parcela do excesso de poro pressão gerado durante a rotação da palheta foi dissipado, ocasionando efeitos de drenagem parcial durante o cisalhamento. O torque medido durante os ensaios é influenciado pelas dimensões da palheta. Porém, não foi verificada qualquer tendência de variação na resistência normalizada (T/Tref) decorrente das dimensões da palheta. A velocidade normalizada (V) considera diretamente, além da velocidade, a geometria da palheta e o coeficiente de adensamento do solo e reflete os efeitos de permeabilidade, rigidez e velocidade de cisalhamento, fatores que também controlam a viscosidade. Desta forma, os efeitos viscosos dos ensaios de palheta são representados com precisão no espaço normalizado. Além da avaliação dos efeitos de velocidade devido a viscosidade, a normalização dos resultados no espaço T/Tref versus V possibilita também a avaliação dos efeitos de drenagem parcial. Ou seja, dois fenômenos físicos distintos podem ser identificados e interpretados utilizando a mesma abordagem. / Vane tests are frequently used to estimate the undrained shear strength of soft clays deposits because of the equipment simplicity, speed and low costs. The strain rate used in vane shear tests is generally of 6o/min. However, vane tests results are influenced by many factors and rate of shear can be considered one of the most important. Under undrained conditions, undrained shear strength of clayey soils increases with shear velocity. This increase on undrained shear strength occurs due to viscous effects. Furthermore, this method has been used to estimate the undrained shear strength of other fine-grained materials such as silts, tailings, among others. Tests results interpretation must to be careful on these materials, because partial drainage can occur during shear tests conducted at the standard field shear rate. In this cases, soil strength and stiffness are higher than under undrained conditions. Thus, this research is aimed to evaluate the influence of the vane shear velocity in soils strength. Vane tests were conducted using vanes with 20.2, 25.5 and 40.0 mm in diameter and with aspect ratio of 2, at rotation rates from 0.68 to 1800o/min using three kaolin-bentonite mixtures composed by 85% kaolin and 15% bentonite with a water content of 100, 130 and 160% (clay), a mixture composed just by kaolin with a 50% water content (silt) and a mixture composed by 60% kaolin and 40% Osório sand with a 40% water content (silt). Tests results shows that clay and silt strength increases with shear rate, under undrained conditions. Undrained shear strength is also influenced by vane diameter and soil void ratio, and consequently by water content. Viscous response on vane tests throughout the undrained range of velocities can be described by a power law (for normalized velocity values further than 10). Silty soils, especially clay-sand mixtures under undrained conditions, exhibited a greater increase on strength than the increased observed for clayey soils. Neverthless, in some tests conducted at low shear velocities, part of pore pressure excess generated during vane rotation was dissipated, occasioning partial drainage effects during shear. The measured torque has been influenced by vane blade dimensions, but any variation on normalized resistance (T/Tref) wasn’t found as a result of vane dimensions. Normalized velocity considers directly peripheral velocity, vane geometry and soil coeficient of consolidation and reflects permeability, stifness and shear rate effects, factors that also control viscous effects. Thus, viscous effects in vane tests are accurately represented on normalized space. In addiction to rate effects due to viscosity evaluation, results normalization on T/Tref versus V space enable partial drainage effects assessment. It shows that the two distinct physical phenomena can be identified and interpreted using one single approach.

The vast and rich body of literature covering the numerical modelling of hydrodynamic floating body systems has demonstrated their great power and versatility when applied to offshore marine energy systems. It is possible to model almost any type of physical phenomenon which could be expected within such a system, however, limitations of computing power continue to restrict the usage of the most comprehensive models to very narrow and focused design applications. Despite the continued evolution of parallel computing, one major issue that users of computational tools invariably face is how to simplify their modelled systems in order to achieve practically the necessary computations, whilst capturing enough of the pertinent physics, with great enough ‘resolution’, to give robust results. The challenge is, in particular, to accurately deliver a complete spectrum of results, that account for all of the anticipated sea conditions and allow for the optimisation of different control scenarios. This thesis examines the uncertainty associated with the effects of viscosity and nonlinear behaviour on a small scale model of an oscillating system. There are a wide range of Computational Fluid Dynamics (CFD) methods which capture viscous effects. In general however, the oscillating, six degree-of-freedom floating body problem is best approached using a linear potential flow based Boundary Element Method (BEM), as the time taken to process an equivalent model will differ by several orders of magnitude. For modelling control scenarios and investigating the effects of different sea states, CFD is highly impractical. As potential flows are inviscid by definition, it is therefore important to know how much of an impact viscosity has on the solution, particularly when different scales are of interest during device development. The first aim was to develop verified and validated solutions for a generic type decaying system. The arrangement studied was adapted from an array tank test experiment which was undertaken in 2013 by an external consortium (Stratigaki et al., 2014). Solutions were delivered for various configurations and gave relatively close approximations of the experimental measurements, with the modelling uncertainties attributed to transient nonlinear effects and to dissipative effects. It was not possible however to discern the independent damping processes. A set of CFD models was then developed in order to investigate the above discrepancies, by numerically capturing the nonlinear effects, and the effects of viscosity. The uncontrolled mechanical effects of the experiment could then be deduced by elimination, using known response patterns from the measurements and derived results from the CFD simulations. The numerical uncertainty however posed a significant challenge, with the outcomes supported by verification evidence, and detailed discussions relating to the model configuration. Finally, the impact of viscous and nonlinear effects were examined for two different interacting systems – for two neighbouring devices, and an in-line array of five devices. The importance of interaction behaviour was tested by considering the transfer of radiation forces between the model wave energy converters, due to the widely accepted notion that array effects can impact on energy production yields. As there are only very limited examples of multi-body interaction analysis of wave energy devices using CFD, the results with this work provide important evidence to substantiate the use of CFD for power production evaluations of wave energy arrays. An effective methodology has been outlined in this thesis for delivering specific tests to examine the effects of viscosity and nonlinear processes on a particular shape of floating device. By evaluating both the inviscid and viscous solutions using a nonlinear model, the extraction of systematic mechanical effects from experimental measurements can be achieved. As these uncontrolled frictional effects can be related to the device motion in a relatively straightforward manner, they can be accommodated within efficient potential flow model, even if it transpires that they are nonlinear. The viscous effects are more complex; however, by decomposing into shear and pressure components, it may in some situations be possible to capture partially the dynamics as a further damping term in the efficient time-domain type solver. This is an area of further work.