Ce mémoire est constitué de 3 parties.La NP-complétude de la satisfaction de combinaisons booléennes de contraintes de sous-arbres est démontrée dans l'article [Ven87] ; la partie I de ce mémoire étudie dans quelle mesure l'ajout de contraintes régulières laisse espérer conserver la complexité NP. Ce modèle étendu définit une nouvelle classe de langages dont l'expressivité est comparée à celle des Rigid Tree Automata [JKV11]. Puis un début de formalisation des t-dags est donné.Les patterns ont été étudiés, principalement du point de vue des contraintes sur les données qu'ils demandent. La partie II de ce mémoire les étudie plus finement, en mettant de côté les données. Les squelettes sont définis en tant qu'intermédiaire de calcul et le fait que leur syntaxe caractérise leur sémantique est démontré. Puis un lemme de pompage est donné dans un cas restreint, un autre dans le cas général est étudié et conjecturé. Ensuite des fragments de combinaisons booléennes de patterns sont comparés en expressivité pour terminer avec l'étude de la complexité des problèmes de model-checking, satisfaisabilité et DTD-satisfaisabilité sur les dits fragments.Le contenu de la partie III constitue l'article [FMS11], c'est la démonstration de la caractérisation des langages des automates fortement déterministes de niveau 2 par des systèmes d'équations récurrentes caténatives. Celle-ci utilise, entre autres, des techniques de réécriture, la notion d'inconnues non-réécrivables et les ordres noethériens. Cette caractérisation constitue le cas de base de la récurrence démontrée dans [Sén07]. / This thesis is in 3 parts.The NP-completeness of satisfiability of boolean combinations of subtree constraints is shown in the article [Ven87] ; in the part I of this thesis, we study whether adding regular contraints lets hope for keeping the same complexity. This extended model defines a new class of languages which is compared in expressivity to the Rigid Tree Automata [JKV11]. Then a begining of formalisation of the t-dags is developped.The patterns have been studied mainly from the point of view of the constraints they demand on the data. The part II of this thesis study them more finely, by putting aside the data. The skeletons are defined as calculus intermediate and the characterisation holding between their syntax and their semantics is shown. Then a pumping lemma is prooved in a restreict case, another one is conjectured in the most general case. Then fragments of boolean combinations of patterns are compared in expressivity, this parts ends with the study of complexity of model-checking, satisfiability and DTD-satisfiability on these fragments.The content of part III constitutes the article [FMS11], it is the demonstration of the characterisation of strongly-deterministic 2-level pushdown automata by recurrent catenative equation systems. This proof uses in particular, some rewriting techniques, unrewritable unknowns and noetherian orders. This characterisation provides the base case of the recurrence shown in [Sén07].

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011. / Renewable energy systems coupled to a hydrogen storage bring new and innovative solutions to supply power to environments with little or no electricity. The concept of H2 battery which is a part of such system is a form of storage that gives autonomy and electric independence for long periods (typically seasonal storage). The operation of this H2 battery is this: an electrolyser produces gases (H2 and O2) with the extra energy from the renewable source. Hydrogen or oxygen is then stored in tanks for later use with a fuel cell when the renewable source becomes insufficient. In this study, we focus specifically on the coupling between photovoltaic arrays with a H2/O2 battery to supply power to a remote site without interruption. This work is part of the PEPITE Project, partially funded by the french National Research Agency (ANR-Panh 2007-2011) and was conducted in partnership with HELION Hydrogen Power, CEA-Liten and the University of Corsica. The project is also accredited by the CAPENERGIES and TENERRDIS clusters. First, a general discussion based on the properties of a H2/O2 battery demonstrates the need to introduce a secondary battery (lead in our case) to ensure an instant and uninterrupted operation. Then, a qualitative study on the possible electrical architectures (DC bus or AC bus) was conducted and resulted in a quantitative study conducted specifically for the PEPITE project. At the same time, various energy management strategies have been proposed to use both storage in the best conditions, limiting their losses and aging. Two small scale bench tests (one with a DC bus and a second with an AC bus) were performed in the LAPLACE laboratory to validate our strategies and prepare the final prototype which will be tested on the site of HELION Hydrogen Power during the summer of 2011.

Ce mémoire traite du pilotage de systèmes hybrides de puissance électrique. Les sources principales d’énergie sont un système photovoltaïque et une pile à combustible. Les sources secondaires sont un pack de batteries et un pack de supercondensateurs. Le dimensionnement des sources secondaires est réalisé afin de gérer les transitoires de puissances et de fournir l’appoint d’énergie lorsque celle issue des sources principales est insuffisante. Les sources principales, quant à elles, fournissent l’énergie à la charge en régime permanent. Le contrôle des flux d’énergies et les asservissements de puissance utilisés dans cette thèse sont basés sur le concept de platitude des systèmes différentiels. Ils permettent d’obtenir des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. Le superviseur, permettant de répartir la puissance entre les différents organes de stockage, est réalisé à base de contrôleur flou et assure que les supercondensateurs avec leur convertisseur d’interface sont utilisés comme filtre de puissance et apportent l’énergie en régime transitoire. En revanche, les batteries fournissent ou absorbent l'énergie sur des durées plus longues / This thesis deals with the control of electrical hybrid system. The main sources consist in an association of photovoltaic and fuel cell system. The secondary sources are a bank of batteries and a bank of supercapacitors. The sizing of secondary sources is realized to manage the power during the transient state and provide extra energy when the power of main sources is insufficient in steady state. The main sources provide the essential energy of the electrical hybrid system during steady state. The control of energy flows and power tracking used in this thesis are based on the flatness technique. This control system allows obtaining high dynamic properties in the power tracking and the regulation of system. The supervisor for sharing the power between the different storage devices is realized thanks to a fuzzy logic controller. This controller ensures that the bank of supercapacitors with its interface converter is used as a power filter and provides the energy in transient states. However, the bank of batteries provides or absorbs the energy in longer periods especially during recovery or overload modes

Cette thèse s'intéresse à l'architecture et à la commande des sources hybrides d'énergie électrique dont la source principale est une pile à combustible et la source auxiliaire un banc de supercondensateurs. Parmi les différentes architectures électroniques de puissance envisageables le choix s'est porté sur un convertisseur isolé multiport réalisé à partir d'un transformateur multienroulement. Chaque élément de ce dispositif (pile à combustible, supercapacités, charge) est connecté à un enroulement par un onduleur de tension. Le contrôle des échanges d'énergie s'effectue par le déphasage entre les ondes de tension délivrées par les onduleurs. L'utilisation de convertisseurs et d'un mode de commande identiques sur chaque port assure le caractère modulaire de l'ensemble. Le modèle du transformateur est établi pour N enroulements. Il est de type polygone ce qui simplifie le calcul des échanges d'énergie entre les ports. Deux méthodes de contrôle de l'ensemble du dispositif sont présentées. La première, classique, utilise un régulateur linéaire pour contrôler la puissance fournie par la pile et la tension de sortie est contrôlée via l'énergie électrostatique stockée dans la capacité de sortie. La limitation de la variation du courant délivré par la pile à combustible est effectuée en limitant la variation de la puissance d'entrée. La deuxième est basée sur le concept de platitude, les variables plates étant l'énergie stockée dans les capacités et les variables de commande les puissances échangées entre la pile et les autres ports. On a déterminé la trajectoire des sortie plates en respectant les différentes contraintes, à savoir la limitation des variation du courant délivré par la pile et la puissance maximale qu'elle délivre ainsi que le courant de charge de la capacité de sortie lors du démarrage. Dans les deux cas, les méthodes de contrôle ont été validées en modes de charge, de surcharge et de récupération par simulation numérique et expérimentalement. Plutôt que d'utiliser un convertisseur 4-port nécessitant le contrôle de 6 échanges entre ports, nous avons choisi d'étudier par simulation la mise en parallèle de deux montages 3-ports connectés sur la même source principale et la même charge. La présence de ces deux convertisseurs permet selon le point de fonctionnement considéré d'optimiser le rendement du dispositif / This thesis deals with architecture and control of hybrid electrical energy sources where the main source is a fuel cell and the auxiliary one, supercapacitors. Among the various possible power electronics architectures, an isolated multi-port converter using a multi winding transformer has been realized. Each element of the device (fuel cell, supercapacitors and load) is connected to one winding by a voltage inverter. The control of energy exchanges is performed by controlling the phase shifts between voltage waveforms delivered by inverters. The use of identical converters and control modes ensures the modular nature of the system. Transformer modeling is performed in general manner for a N-port transformer and the development of a polygon model simplifies the calculation of the energy exchanges between ports. Two control methods are presented. The first method, more conventional, uses a linear regulator to control the power delivered by the fuel cell and the output voltage is controlled via the electrostatic energy stored in the output capacitor. The limitation of the current variation delivered by the fuel cell is performed by limiting the variation of the input power. The second method is based on the concept of flatness. Energies stored in the capacitors are the flat output variables whereas the powers exchanged between the main source and the other ports are the control variables. It was then possible to determine the trajectory of the flat outputs to meet various constraints like the limitation of the current variation delivered by the fuel cell, the fuel cell maximum power, and the current of the output capacitor during startup. Both control methods have been validated in normal, overload and recovery modes by numerical simulation and experimental results. Rather than using a 4-port converter requiring control of six energy exchanges between ports, the paralleling of two 3-port converters connected to the same main source and load using simulation is studied. The presence of these two converters allows optimizing the system efficiency according to the considered operating point

Un coeur de pile à combustible est un système multi-physique couplant des phénomènes de transport de matière et de charges (dans les électrodes et l'électrolyte), et de cinétique électrochimique (au niveau des sites réactionnels) ; phénomènes auxquels s'ajoutent des problèmes de thermique et de distribution des gaz réactifs. De nombreux modèles permettent de décrire localement ces phénomènes, par le biais d'équations aux dérivées partielles faisant intervenir l'espace et le temps. Ces modèles, aussi précis soient-ils, ne sont en pratique guère utilisables dans une approche système, dès lors que l'on cherche à étudier un ensemble complexe dans lequel le coeur de pile n'est qu'un élément parmi d'autres. Il existe bien des modèles dynamiques semi-empiriques pour lesquels la cellule électrochimique est représentée par un circuit électrique équivalent dont certains paramètres sont déterminés expérimentalement, par des mesures spectroscopiques en particulier. L'inconvénient de cette approche vient de ce que les modèles obtenus, de type "petits signaux", ne sont en toute rigueur valables qu'autour d'un point de fonctionnement. Les travaux présentés dans ce mémoire traite du développement, de la validation expérimentale et de l'exploitation d'un modèle électrique local 1D de cellule de pile à combustible PEM, de type circuit pour une implantation directe dans les logiciels de simulation des systèmes électriques (Saber® dans notre cas), et dont les éléments sont calculés par analogie électrique à partir des phénomènes physiques dont la pile est le siège. Ce modèle est dynamique, il rend compte du phénomène de couche double électrique, et de l'influence des conditions opératoires, notamment l'alimentation en gaz (sur-alimentation, sous-alimentation transitoire), sur le comportement électrique et les performances de la cellule. Le premier chapitre fait un état des lieux des modèles de pile existants, et permet de situer notre travail dans ce contexte. Le chapitre 2 est consacré à la mise en équation traduisant les phénomènes : transport des gaz dans les couches de diffusion et de l'eau dans la membrane, transport des charges dans les électrodes et la membrane, cinétique électrochimique aux interfaces membrane-électrode, couche double électrique, conditions aux limites. Nous y détaillons également la représentation analogique permettant de traiter les équations de transport dans un environnement de calcul dédié à la simulation des systèmes électriques, ainsi que le modèle électrique complet. Une comparaison avec un modèle similaire implanté dans un logiciel utilisant la méthode des éléments finis, est proposée, de même qu'une validation expérimentale, en régime stationnaire et en régime transitoire. Le dernier chapitre traite de l'exploitation du modèle à des fins d'étude paramétrique (conditions opératoires, paramètres physiques), et de simulation "systèmes" (fonctionnements particuliers, mise en série, association avec un convertisseur) / A heart of a fuel cell is a multi-physics system that couples mass and charge transport phenomena (in electrodes and electrolyte), and electrochemical kinetics at reactive sites ; to these phenomena, are added thermal transfer, and gas distribution problems. Many mathematical models have already been developed in order to describe locally these phenomena, through partial differential equations involving space and time. Theses models are often accurate, but they are hardly used in a system approach, since one aims to study a complex system in which the fuel cell is only one element among others. Many semi-empirical dynamics models have also been developed, with an electrochemical cell represented by an equivalent electrical circuit, the parameters of which are often determined experimentally, by spectroscopy measurements in particular. The main drawback of this approach is that it results in small signal models, which are theoretically only available around an operating point. The works presented in this thesis deals with the development, the experimental validation and the use of a 1D local PEM fuel cell model, of circuit type for a direct implementation in simulation software commonly used in electrical engineering (Saber® in our case). The elements of the model are determined by using electrical analogy of physical phenomena that occur in the fuel cell. The model is dynamic, and takes into account electric double layer, and influence of operating conditions (notably gas supply effects, such as over-feeding or transient gas starvation) on fuel cell performances. The first chapter presents literature review on existing fuel cell models, and enable to situate our work in this context. We give in chapter 2 local equations on which our model is based: gas transport in diffusion layers, water transport in the membrane, charge transport in electrodes and membrane, electrochemical kinetics at the membrane-electrode interfaces, electric double layer, boundary conditions. Then we detail the analogy representation that allows to compute transport equations by means of electrical engineering simulation software, as well as to complete electrical model. A comparison with a similar model implemented in a software using the finite element method is proposed, then an experimental validation in steady and transient state is carried out. The last chapter deals with the exploitation of the model for parametric study purposes (operating conditions, physical parameters), and for system simulation purposes (specific operations of a single cell, multi-cells in series, association with a power electronic converter)

Ce mémoire propose une stratégie de contrôle sans commutation d’algorithme pour un système hybride constituée d’une pile à combustible comme source principale et d’un pack de supercondensateurs comme source auxiliaire. Trois structures de système hybride ont été étudiées. Après avoir évoqué les différentes structures des systèmes hybrides électriques et des techniques utilisées pour les contrôler, deux approches sont traitées. La première est basée sur la notion de platitude permettant d’assurer la gestion des flots d’énergie dans une source hybride et plus généralement dans un système multi sources/multi charges. La stratégie proposée repose sur la génération d’un modèle d’ordre réduit du système et la gestion des flots d’énergie via des trajectoires de référence de certaines grandeurs énergétiques du système. L’impact de ce mode de contrôle sur le dimensionnement des éléments passifs (inductances, condensateurs) de la source hybride a été expliqué. Dans la deuxième stratégie, l’énergie totale stockée dans les hacheurs est prise en compte dans l’élaboration de la commande du système multi sources/multi charges en utilisant une linéarisation entrée/sortie sur les convertisseurs des charges. Un observateur non linéaire a été proposé pour estimer la variation de la caractéristique statique de pile à combustible et permet de garantir un fonctionnement optimal du système hybride. Les architectures de puissance et les modes de commande proposés ont été validés par des résultats simulés et/ou expérimentaux / This work deals with a nonlinear control strategy of an electrical hybrid system which is composed of a fuel cell as the main source and a supercapacitor bank as the auxiliary source. Any algorithm commutation is not used in the proposed control strategy whereas the system works in different operating modes. After a review of various structures of the electrical hybrid systems and different control methods of these systems, two new approaches are developed. The first one is flatness-based method to ensure the energy management in the proposed hybrid systems and generally in a multi source / multi loads system. The proposed strategy is based on generation of a reduced-order model of the system. The energy management is carried out through the reference trajectories of the stored electrostatic energy of the system. The effect of the proposed control method on design of the system components (inductors and capacitors) is explained. In the second approach, the total energy stored in the choppers is taken into account to control the load converters of a multi-source/multi load system by use of the input/output linearization method. A nonlinear observer is proposed to estimate the variation of voltage-power output characteristic of the fuel cell which leads to an optimal performance of the hybrid system. The simulation and experimental results prove validity of the proposed control strategy

L’utilisation des convertisseurs de puissance dans les applications de transport électrique à base de pile à combustible ouvre les portes de recherche sur la problématique de leur fiabilité puisqu’un défaut dans ces circuits pourrait provoquer une panne ou un disfonctionnement se répercutant sur l’ensemble de la chaine de traction. Le convertisseur statique considéré est un hacheur élévateur à six bras parallèles et entrelacés à fréquence de découpage égale à 100kHz ayant un gain en tension élevé (égal à 5). Il comporte avec le choix des éléments passifs une ondulation de courant d’entrée faible et interface une pile à combustible de 21kW (70V, 300A) et une charge résistive de 350V (valeur proche des réseaux comportant des batteries Li-ion). Ces systèmes incorporent des interrupteurs de puissance semi-conducteurs qui sont les composants les plus fragiles et qui sont soumis à des contraintes électriques et thermiques sévères pour les applications automobiles. L’utilisation de la technologie en carbure de silicium pour ces cellules semi-conductrices élémentaires accompagne un réel besoin industriel des filières de développement des systèmes miniaturisés et intègre les préoccupations des constructeurs automobiles autour de la mise en œuvre opérationnelles des technologies innovantes embarquées et fiables. En effet, cette technologie des composants semi-conducteurs, dit «grand-gap», est à coup sûr un candidat sérieux pour optimiser l’efficacité énergétique et l’intégration de puissance des convertisseurs, pour pile à combustible, plus robustes vis-à-vis des contraintes de l’usage transport. Dans mes travaux de thèse, les défauts de type court-circuit et circuit-ouvert d’interrupteurs de puissance en carbure de silicium sont alors considérés pour satisfaire la continuité de service et annuler l’influence de cette dégradation d’une part sur la source électrochimique et d’autre part sur la charge. Les méthodes de détection proposées sont des méthodes simples et non intrusives. Elles utilisent la tension drain et source VDS de l’interrupteur de puissance comme indicateur de défaut pour juger de la présence d'un court-circuit ou un circuit-ouvert. Le principe de détection consiste à comparer la tension VDS à une tension seuil paramétrable (à fixer pour le composant en carbure de silicium). Une fois la phase inductive défectueuse est identifiée, un processus de de gestion des défauts par la commande est mis en œuvre. Dans le cas de court-circuit une stratégie de soulagement par la commande est appliquée pour adoucir la coupure de courant de la branche inductive en défaut. Puis suivra l’isolation de cette ligne via des interrupteurs spécifiques qui supportent une ouverture du circuit à fort courant (exemple: fusible ultra-rapide) et une reconfiguration par la commande du convertisseur de puissance (passage de 6 à 6-i phases, avec i nombre de défauts). Dans le cas de circuit-ouvert, qui un défaut qui isole automatiquement le bras défectueux, si aucune action préventive n’est planifiée la continuité de service est assurée mais à plus d’ondulations de courant sur les bras du convertisseur statique. Pour éviter cet effet, la reconfiguration par la commande est nécessaire. / The use of power converters in fuel cell electrical transport applications drives research to study the problem of their reliability, since a fault in these circuits could cause a breakdown or a malfunction that affects the entire system of the powertrain. The converter under consideration is a six-phase interleaved boost converter operating in unidirectional power flow in continuous conduction mode with a 100 kHz switching frequency and a high voltage gain (equal to 5). It allows, with the choice of passive elements, a low input current ripple and interfaces a 21kW fuel cell (70V, 300A) and a resistive load of 350V (value close to the networks with batteries Li-ion). These systems contain semiconductor power switches which are the most fragile components and are subject to severe electrical and thermal stresses for automotive applications. The use of silicon carbide technology for these semiconductor components accompanies a real industrial need for development of a miniaturized system and integrates the concerns of manufacturers of electric vehicles around the implementation of innovative, embedded and reliable technologies. Indeed, this technology of semiconductor components is certainly a serious candidate to optimize the energy efficiency and power integration of converters, for fuel cells, more robust against constraints of the transport use. In my thesis work, switch short-circuit and switch open-circuit faults of silicon carbide power switches are considered to satisfy the continuity of service and to cancel the influence of this degradation on both the fuel cell source and the charge. The proposed detection methods are simple and non-intrusive. They use the drain to source voltage VDS of the power switch as a fault indicator to judge the presence or not of a short-circuit or an open-circuit switch fault. The detection principle consists in comparing the VDS voltage with a configurable threshold voltage (to fix it for the silicon carbide component). Once the faulty inductive phase is identified, a fault management process by the control is implemented. In the case of switch short-circuit fault, firstly a control strategy is applied to soften the break of current of the faulty inductive phase. After faulty phase isolation using specific switches that support breaking of the high-current circuit (example: high-speed fuse) and a reconfiguration by the control of the power converter (transition from 6 to 6-i phases, with i number of faults). In the case of switch open-circuit fault, which automatically isolates the defective phase, if any preventive action is planned the continuity of service is ensured but to more current ripple on the arms of the DC/DC converter. To avoid this effect, reconfiguration by the command is necessary.

No presente trabalho, uma combinação do método dos elementos de contorno (MEC) com o método dos elementos finitos (MEF) é apresentada para a análise da interação entre estacas e o solo, considerado como um meio infinito tridimensional e homogêneo. O meio contínuo tridimensional de domínio infinito é modelado pelo MEC, enquanto as estacas consideradas como elementos reticulares são tratadas pelo MEF. As equações das estacas oriundas do método dos elementos finitos são combinadas com as do meio contínuo obtidas a partir do método dos elementos de contorno, resultando em um sistema completo de equações, que convenientemente tratadas, proporcionam a formulação de coeficientes de rigidez do conjunto solo-estacas. Finalmente, uma formulação para a análise do comportamento não-linear do solo na interface com a estaca é desenvolvida, tornando o modelo mais abrangente. / In the present work a combination of the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM) is used for pile-soil interaction analyses, considering the soil as a homogeneous, three-dimensional and infinite medium. The three-dimensional infinite continuous medium is modeled by the BEM, and the piles are, considered as beam elements, modeled by the FEM. This combination also is used for studying the interaction of plates sitting on a continuous medium. The pile equations generated from the FEM are combined with the medium equations generated from the BEM, resulting a complete equation system. Manipulating properly this equation system, a set of stiffness coefficients for the system soil-pile is obtained. Finally, to make the model more comprehensive, it presented a formulation to take into account the soil nonlinear behavior at the pile interface.

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 monitoramento em campo de fundações em estacas metálicas helicoidais é baseado em correlações empíricas entre a capacidade de carga à tração e o torque medido durante a instalação. Nesta pesquisa é proposto um modelo teórico da relação entre o torque de instalação e a capacidade de carga à tração deste tipo de estaca em areias para ser utilizado como procedimento de controle durante a execução deste tipo de fundação. Para validar esta relação teórica e para avaliar o desempenho desta fundação em solos arenosos, foi realizado um programa experimental dividido em dois grupos: ensaios de campo e ensaios de laboratório. Em campo foram realizadas provas de carga à tração na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) e em Contagem (Minas Gerais). Os ensaios de laboratório foram divididos em três grupos. O primeiro corresponde aos ensaios de modelagem física em centrífuga realizados no Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) em Nantes, França. O segundo engloba ensaios de cisalhamento direto de interface entre o aço da hélice da estaca e diferentes areias, parte executada no LCPC e parte na EESC. O terceiro grupo refere-se a ensaios de torção de tubos de estacas metálicas helicoidais efetuados na EESC. A partir dos resultados dos ensaios, o modelo teórico proposto nesta tese foi verificado e mostrou-se adequado para estacas metálicas helicoidais profundas com diferentes dimensões e número de hélices instaladas em solos arenosos. Os resultados das provas de carga realizadas em centrífuga e em campo foram examinados por meio dos métodos existentes na literatura para estimativa de capacidade de carga à tração desenvolvidos para este tipo de fundação. Por meio dos resultados obtidos nos ensaios em centrífuga, constatou-se que nas estacas multi-hélices a porcentagem de capacidade de carga relativa à hélice da ponta aumenta de acordo com o diâmetro da hélice e com a densidade da areia. Nos ensaios de torção de fustes de estacas helicoidais observou-se que, para tubos de mesmo diâmetro e espessura, a ruptura se inicia a partir do mesmo valor de momento torçor aplicado, independentemente de conter ou não emenda. / Empirical correlations between installation torque and uplift capacity of helical screw piles are routinely used as a procedure for quality control on site of this type of foundation. In this work, a theoretical model of the relationship between uplift capacity and installation torque of deep helical screw piles in sand was presented to be used as a quality control method for this type of foundation. An experimental program of laboratory and field investigations was carried out in order to validate this theoretical relationship. The field study included uplift tests of full-scale piles installed at the Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) and in Contagem (Minas Gerais). The laboratory tests were performed in the Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC/ Nantes) and at the EESC. In the LCPC a program of centrifuge and direct shear interface tests was completed. A set of torsion tests on pile shafts and of direct shear interface tests were carried out at the EESC. The results showed that the theoretical model presented is applicable to different pile dimensions, number of helices, and sand relative density. The methods existing in the literature for estimating uplift capacity of helical screw piles were used to verify the results of uplift capacities measured in field and in centrifuge studies. The results of centrifuge modelling tests demonstrated that the fraction of uplift capacity corresponding to the bottom helix increases with helix diameter and sand density. The torsion tests showed that the failure of the pile shaft begins at the same torque magnitude in experiments on shafts with and without connections.