Aplica-se uma formulação Lagrangeana total do Método dos elementos Finitos (MEF) baseada em posições para obter a resposta dinâmica não linear de risers bidimensionais em contato com o leito do mar. Os elementos finitos adaptados e aplicados nas soluções são de barras curvas de pórtico com cinemática de Reissner. Os risers são estruturas cilíndricas e esbeltas utilizadas na indústria offshore para transportar desde o fundo do mar até a plataforma gases, óleos, minerais ou lodo, entre outros produtos. Na modelagem dessas estruturas, destacam-se três problemas de imediato, são eles: a determinação da catenária inicial da tubulação, o comportamento estrutural após a aplicação de deslocamentos severos no topo do riser quando ancorado à plataforma ou embarcação flutuante e o contato do riser com o leito do mar. Estes problemas resultam ou são agravados pela forte instabilidade presente nessas estruturas em razão da grande relação entre a extensão dos dutos e sua rigidez transversal. Para obter a configuração inicial, três técnicas de penalização foram desenvolvidas e comparadas. A primeira utiliza a redução progressiva da rigidez da seção transversal do riser, a segunda aplica a penalização direta nos deslocamentos nodais do riser e a terceira emprega uma solução dinâmica amortecida com redução progressiva da massa e do amortecimento. As técnicas são comparadas entre si e com resultados das bibliografias. A metodologia desenvolvida para a aplicação de deslocamentos severos no topo do riser é fundamentada na suavização da posição tentativa, através de fórmula empírica baseada na remodelagem de malhas da mecânica dos fluidos. Discretiza-se o solo com molas distribuídas, de comportamento linear e não linear físico, cuja influência nodal é desenvolvida consistentemente. De forma geral a introdução dessas molas é feita através da técnica da penalização da energia potencial total. Descreve-se o comportamento não linear, comumente utilizado para solos coesivos argilosos, com um modelo P-y que considera a penetração inicial, a elevação, assim como a repenetração e alguns ciclos de carregamento e descarregamento delimitados pelas curvas das cargas extremas. Uma técnica de moderação das penalidades é utilizada para auxiliar no problema de contato entre o solo e o riser. Além desses aspectos específicos do trabalho, implementaram-se na formulação do MEF as ações decorrentes de carregamentos de flutuação, peso próprio, forças das correntes do mar e condições de contorno (forças e deslocamentos) devidas às ondas do mar. Realiza-se a integração temporal pelo método clássico de Newmark. A formulação desenvolvida junto com as estratégias implementadas mostram-se adequadas e precisas para o tratamento de risers. / A total Lagrangian Finite Element Method (FEM) formulation based on positions is applied to achieve the static and dynamic responses of two dimensional risers that touch the seabed. The adapted finite elements to model risers are curved frame elements based on the Reissner kinematics. Risers are cylindrical slender structures used in the offshore industry to transport from the underground mineral resources (gas, petroleum, mud etc) to the platforms or vessels. In the analysis of this kind of structure three problems immediately arise, that are: the determination of the initial static position (catenary) of the riser, its dynamic behavior when subjected to severe loads or displacements at the top (floating platforms or vessels) and the interaction among the riser and the seabed. These problems come from or are worsened by the strong instability resulting from the large rate between the extension and the transverse dimension of the riser. In order to solve the initial position three techniques are developed and compared. The first uses a progressive reduction of the transverse stiffness of the riser, the second applies a direct penalization on the nodal displacements of the riser and the third employs a dynamic solution with mass and damping reduction. The achieved results are compared with the ones available in literature. The developed methodology to apply severe displacements at the top of risers is a smoothing procedure of the first trial position, based on a strategy of remeshing used in fluid-structure interaction analysis. The soil (seabed), with linear or non-linear behavior is represented by distributed springs and their nodal influence is consistently developed. In a general way the introduction of these springs is done penalizing the total potential energy function. The non-linear behavior, commonly used for cohesive and clayey soil, is done by a P-y model that takes into account the initial penetration, the elevation, as well as some cyclical loads established by extreme curves. A moderation technique of penalty is used to improve the convergence of the soil-structure interaction process. In addition to these specific aspects of the thesis, there are implemented actions resulting from floating, selfweight, sea streams, and waive forces. The time integration is performed by the Newmark method. Examples reveal that the developed formulation and the proposed strategies are adequate to model submersed risers in contact with the seabed.

Globally land use change (LUC) with increasing in land use intensity has led to a decrease in soil organic matter (SOM). The reduction of soil C stock across LUC has been accompanied by a destabilization of soil structure and increases the soil erosion susceptibility. The destabilized soil structure is also concomitant with a loss of soil biodiversity and in particular, soil macroinvertebrate community. The focus of this dissertation is the effect of LUC with increasing in land use intensity on soil macrofauna, aggregation and SOM allocation. We hypothesized that LUC reduces soil macrofaunal biodiversity and consequently decreases soil engineering processes, resulting in destabilization of soil structure and impairing the ability of soil to physically protect SOM from decomposition inside stable aggregates, finally leading to depleted SOC stocks across LUC. In order to test these hypotheses, we conducted a field survey in 3 chronosequences of land use comprising native vegetation (NV), pasture (PA), and sugarcane crop (SC) in Central-Southern Brazil. This land use sequence provides a gradient of land use intensity and is projected to add 6.4 Mha of new sugarcane areas in Brazil by 2021. At each sampling point soil blocks of 25 X 25 cm and 5 x 5 cm to 10 cm depth were simultaneously collected from 0-10 cm, 10-20 cm, and 20-30 cm soil layers, for macrofauna isolation and aggregate fractionation, respectively. Within a radius of 6 meters around each sampling point, 12 subsamples were also collected from the same soil layers, and combined for total soil C and N concentration. An average reduction of 89% in the density of the soil macrofaunal community was observed when SC replaces PA, and a loss of 39% in the diversity of macrofauna groups. Our findings showed that, over a range of soil textures (16 - 66% clay), such biodiversity loss was strongly correlated with the destabilization of soil structure across LUC, whereas soil texture was not so. These observations consistently indicate that the abundance of detritivore soil animals, especially earthworms and termites, may be a significant predictor of soil structure transformations across LUC in tropical environments. Moreover, the sharp reduction in the abundance of earthworms was strongly positively correlated with the decrease in intra macroaggregate-associated C. As a result, after more than 20 years of sugarcane crop there were losses of 40 and 35% of C and N stocks, respectively, resulting in a rate of C emission of 1.3 Mg ha-1 yr-1. This C loss primarily occurred in the macroaggregate-associated C, as a result of the faster macroaggregate turnover under SC. In summary, the results presented here provide a mechanistic explanation as to why there is soil C depletion when increasing land use intensity in tropical soils: the huge reduction in the abundance of soil engineering invertebrates after LUC impair the ability of soil to physically protect SOM from decomposition inside stable aggregates, and therefore it is a primary mechanism controlling the soil C stocks\' depletion across LUC. / Globalmente mudanças no uso da terra (MUT) com o aumento da intensidade de uso do solo têm levado a uma diminuição da matéria orgânica do solo (MOS). A redução do estoque de C do solo após MUT tem sido acompanhada por uma desestabilização da estrutura do solo e aumento da susceptibilidade a erosão. A desestabilização da estrutura também é concomitante com a perda da biodiversidade do solo e, em particular, da comunidade de macroinvertebrados do solo. O foco deste trabalho é o efeito de MUT com aumento na intensidade de uso do solo sobre a macrofauna do solo, agregação e alocação da MOS. Nossa hipótese é que MUT reduz a diversidade da macrofauna do solo e, conseqüentemente, diminui os processos de engenharia de solo, resultando na desestabilização da estrutura do solo e prejudicando a capacidade do solo para proteger fisicamente a MOS da decomposição dentro de agregados estáveis, finalmente levando a redução dos estoques de C após MUT. Foi realizada uma pesquisa em 3 cronosseqüências de uso da terra que compreendem vegetação nativa (NV), pastagem (PA), e cana-de-açúcar (CA) na região Centro-Sul do Brasil. Esta MUT fornece um gradiente de intensidade de uso do solo e é projetada para adicionar 6,4 Mha de novas áreas de CA no Brasil até 2021. Em cada ponto de amostragem de solo blocos de 25 x 25 cm e 5 x 5 cm a 10 cm de profundidade foram coletados simultaneamente das camadas 0-10 cm, 10-20 cm e 20-30 cm de solo, para isolamento da macrofauna e fracionamento de agregados, respectivamente. Foi observada uma redução média de 89% na densidade da comunidade da macrofauna quando CA substitui PA, e uma perda de 39% da diversidade de grupos. Nossos resultados mostraram que, em um intervalo de texturas do solo (16-66% de argila), tal perda de biodiversidade foi fortemente correlacionada com a desestabilização da estrutura do solo após MUT. Estas observações indicam consistentemente que a abundância de animais detritívoros, especialmente minhocas e cupins, pode ser um preditor significativo de transformações da estrutura do solo em MUT. Além disso, a forte redução na abundância de minhocas foi fortemente e positivamente correlacionada com a diminuição do C alocado intra macroagregados. Como resultado, após mais de 20 anos de cultura de CA houve perdas de 40 e 35% dos estoques de C e N, respectivamente, resultando em uma taxa de emissão de C de 1,3 Mg ha-1 ano-1. Esta perda de C ocorreu principalmente no C associado aos macroagregados, como um resultado da reciclagem mais rápida dos macroagregados sob CA. Em resumo, os resultados aqui apresentados fornecem uma explicação mecanicista a respeito de porque há esgotamento do C do solo quando aumenta-se a intensidade de uso do solo em ambientes tropicais: a enorme redução na abundância de invertebrados \"engenheiros do solo\" após MUT prejudica a capacidade do solo para proteger fisicamente a MOS da decomposição dentro de agregados estáveis, e, portanto, é um mecanismo primário controlando a redução dos estoques de C no solo relacionada a MUT.

Realiza-se o estudo dos efeitos globais causados pela interação solo-estrutura em edifícios de paredes de concreto moldadas no local sobre fundações profundas. Propõe-se um modelo simplificado para a análise estrutural elástica linear de edifícios de paredes de concreto com a utilização exclusiva de elementos finitos de barra. O modelo proposto contempla a influência da deformabilidade das fundações e o efeito arco que ocorre nas paredes de concreto suportadas por pavimentos de transição ou elementos de fundação. O efeito da interação solo-estrutura é simulado por meio da aplicação de coeficientes de rigidez nos apoios da estrutura, calculados por uma ferramenta computacional desenvolvida neste trabalho. O desempenho do modelo proposto é avaliado por meio da comparação com modelo de referência mais refinado que utiliza elementos finitos de casca para discretizar a estrutura por completo. Realizam-se estudos de caso de edifícios de paredes de concreto de múltiplos pavimentos, com estruturas de transição e fundações deformáveis sujeitos ao carregamento vertical. O modelo simplificado proposto se mostrou adequado para a análise estrutural dos edifícios de paredes de concreto moldadas no local com carregamento vertical estudados neste trabalho. Os resultados obtidos indicam que a interação solo-estrutura altera o fluxo de tensões nos edifícios de maneira significativa, causando importante redistribuição de esforços nos elementos estruturais e não deve ser desprezada no dimensionamento da estrutura. Observou-se, também, a redução dos valores de recalques máximos e, principalmente dos recalques diferenciais dos apoios dos edifícios estudados. / This work aims at the investigation of the global effects caused by soil-structure interaction in reinforced concrete wall buildings on deep foundations. A simplified model is proposed for the linear structural analysis of reinforced concrete wall buildings with the exclusive use of beam finite elements. The proposed model includes the influence of the foundations deformability and the arch effect that occurs in concrete walls supported by beams or foundation elements. The effect of soil-structure interaction is simulated by applying stiffness coefficients in the supports of the structure. The stiffness coefficients are calculated by a computational tool developed in this work using an iterative process. The performance of the proposed model is evaluated by comparison of the results with a reference model that uses refined shell finite elements to represent the whole structure. Three reinforced concrete wall multi-story buildings subject to vertical loading were used as case studies in order to evaluate the influence of the soil-structure interaction in the structural behavior. The study concludes that the proposed simplified model is adequate to the structural analysis of reinforced concrete wall buildings with vertical loads studied in this work. The results indicate that the soil-structure interaction significantly modifies the stress flow in the buildings, causing significant redistribution of internal forces and should not be neglected in the design of the structure. It was also observed a reduction of the maximum values of settlements, and especially the differential settlements of the supports of the analyzed buildings.

Neste trabalho, é desenvolvido um programa de computador para a análise estática e tridimensional de problemas de interação solo-estrutura. O programa permite considerar várias camadas de solo, cada qual com características físicas diferentes. Sobre este solo, o qual pode conter estacas, podem ser apoiados diversos tipos de estruturas, tais como placas e até um edifício. Todos os materiais considerados são homogêneos, isotrópicos, elásticos e lineares. O solo tridimensional é modelado com o método dos elementos de contorno (MEC), empregando as soluções fundamentais de Kelvin e uma técnica alternativa na consideração do maciço não-homogêneo. Esta técnica, que é uma contribuição original deste trabalho, é baseada no relacionamento das soluções fundamentais de deslocamento dos diferentes domínios, permitindo que sejam analisados como um único sólido sem a necessidade de equações de equilíbrio e compatibilidade. Isso reduz o sistema de equações final e melhora a precisão dos resultados, conforme comprovado nos exemplos apresentados. Para reduzir o custo computacional sem prejudicar a precisão dos resultados, é utilizada uma malha de elementos de contorno infinitos (ECI) nas bordas da malha de ECs para modelar o comportamento das variáveis de campo em longas distâncias. A formulação do ECI mapeado utilizado é outra contribuição original deste trabalho, sendo baseado em um EC triangular. É demonstrado por meio de exemplos que tal formulação é eficiente para a redução de malha, contribuindo de forma significativa na redução do custo computacional. Todas as estruturas que interagem com o solo, incluindo as de fundação, são simuladas empregando o método dos elementos finitos (MEF). Cada estaca é modelada como uma linha de carga empregando um único elemento finito com 14 parâmetros nodais, o qual utiliza funções de forma do quarto grau para aproximar os deslocamentos horizontais, do terceiro grau para as forças horizontais e deslocamentos verticais, do segundo grau para as forças cisalhantes verticais e constantes para as reações da base. Este elemento é empregado em outros trabalhos, no entanto os autores utilizam as soluções fundamentais de Mindlin na consideração da presença da estaca no solo. Desta forma, a formulação desenvolvida neste trabalho com as soluções fundamentais de Kelvin pode ser considerada mais uma contribuição original. No edifício, que pode incluir um radier como estrutura de fundação, são utilizados dois tipos de EFs. Os pilares e vigas são simulados com elementos de barra, os quais possuem dois nós e seis graus de liberdade por nó. As lajes e o radier são modelados empregando elementos planos, triangulares e com três nós. Nestes EFs triangulares são superpostos efeitos de membrana e flexão, totalizando também seis graus de liberdade por nó. O acoplamento MEC/MEF é feito transformando as cargas de superfície do MEC em carregamentos nodais reativos no MEF. Além de exemplos específicos nos Capítulos teóricos, um Capítulo inteiro é dedicado a demonstrar a abrangência e precisão da formulação desenvolvida, comparando-a com resultados de outros autores. / In this work, a computer code is developed for the static analysis of three-dimensional soil-structure interaction problems. The program allows considering a layered soil, which may contain piles. This soil may support several structures, such as shells or even an entire building. All materials are considered homogeneous, isotropic, elastic and linear. The three-dimensional soil is modeled with the boundary element method (BEM), employing Kelvin fundamental solutions and an alternative multi-region technique. This technique, which is an original contribution of this work, is based on relating the displacement fundamental solution of the different domains, allowing evaluating them as an unique solid and not requiring compatibility or equilibrium equations. In such a way, the final system of equations is reduced and more accurate results are obtained, as demonstrated in the presented examples. In order to reduce the computational cost maintaining the accuracy, an infinite boundary element (IBE) mesh is employed at the BE mesh limits to model the far field behavior. The mapped IBE utilized, based on a triangular EC, is another original contribution of this work. In the presented examples it is demonstrated that this IBE formulation is efficient for mesh reduction, implying on a significant computational cost reduction. All structures that interact with the soil, including the foundations, are simulated with de finite element method (FEM). The piles are modeled using a one-dimensional 14 parameter finite element, with forth degree shape functions for horizontal displacement approximation, third degree shape functions for horizontal forces and vertical displacement, second degree shape functions for vertical share force, and constant for the base reaction. This element is employed in other works, however the authors utilize Mindlin fundamental solutions for the pile presence consideration in the soil. In such a way, the formulation developed in this work with Kelvin fundamental solutions may be considered one more original contribution. The building, which may include a radier as a foundation structure, is modeled using two types os FEs. Piles and beams are simulated using bar FEs with two nodes and six degrees of freedom per node. The radier and pavements are modeled employing plane triangular three-node FEs. In these FEs plate and membrane effects are superposed, totalizing six degrees of freedom per node. FEM/BEM coupling is made by transforming the BEM tractions in nodal reactions in the FEM. Even though specific examples are presented in the theoretical Chapters, a role Chapter is dedicated for demonstrating the formulation accuracy and coverage. In most examples, the results are compared with the ones obtained by other authors.

Este trabalho busca aplicar técnicas de confiabilidade ao problema de grupo de estacas utilizadas como fundação de estruturas correntes. Para isso, lança-se mão de um modelo tridimensional de interação estaca-solo onde estão presentes o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o método dos Elementos Finitos (MEF) que atuam de forma acoplada. O MEC, com as soluções fundamentais de Mindlin (meio semi-infinito, homogêneo, isotrópico e elástico-linear é utiliza), é utilizado para modelar o solo. Já o MEF é utilizado para modelar as estacas. Definido o modelo de funcionamento estrutural das estacas, parte-se para a aplicação de métodos trazidos da confiabilidade estrutural para avaliação da adequabilidade em relação aos estados limite de serviço e estados limites últimos. Os métodos de confiabilidade utilizados foram o Método de Monte Carlo, o método FOSM (First-Order Second-Moment) e o método FORM (First-Order Reliability Method). / This work seeks to apply reliability techniques to the problem of piles groups used as current structures foundation. For this, makes use of a three-dimensional model of pile-soil interaction with the boundary element method (BEM) and the finite element method (FEM) working coupled. The BEM, with Mindlin fundamental solutions (semi-infinite medium, homogeneous, isotropic and linear elastic) is used to model the soil. The MEF is used to model the piles. Defined the model of structural functioning of the piles, the aim goes to the application of structural reliability for assessing the adequacy of the serviceability limit states and ultimate limit states. Reliability methods used were the Monte Carlo method, the FOSM (First-Order Second-Moment) method and the FORM method (First-Order Reliability Method).

O presente trabalho apresenta uma formulação misto do MEC (Método dos Elementos de Contorno) e o MEF (Método dos Elementos Finitos). Nessa formulação, as estacas são modeladas através do MEF como elementos de barra e o solo através do MEC, como um meio contínuo, elástico linear, isótropo e homogêneo, utilizando as soluções fundamentais de MINDLIN (1936). Os sistemas de equações do solo e das estacas para elementos verticais são apresentados como uma combinação de ambos, originando um único sistema final de equações. Apresentam-se também as modificações necessárias para um sistema composto por estacas inclinadas. Após a resolução do sistema final, obtém-se os deslocamentos e as tensões de contato solo-estaca. A seguir, apresentam-se alguns exemplos numéricos obtidos a partir da formulação proposta e compara-se com modelos de outros autores. / This work presents a hybrid formulation of BEM (Boundary Elements Method) and FEM (Finite Elements Method). In that formulation, the piles are modeled through FEM as bar elements and the soil through BEM, as an isotropic, homogeneous, semi-infinite and linear-elastic continuum, using the fundamental solutions of MINDLIN (1936). The systems of equations of the soil and of the piles for vertical elements are presented as a combination of both, originating a single final system of equations. Some modifications are accomplished for the system of inclinated piles. After the resolution of the final system, the displacements and the contact tensions between soil and pile are obtained. Numeric examples are obtained starting from the proposed formulation and to proceed they are compared with other authors\' models.

As galerias enterradas são amplamente utilizadas em obras de arte corrente (OAC) na infraestrutura de rodovias e ferrovias. Visando disponibilizar mais alternativas na produção de galerias de concreto pré-moldado, a pesquisa apresenta uma análise comparativa de custos para seções transversais não usuais, direcionado a grandes profundidades de instalação. A primeira seção proposta é denominada modificada e é composta por uma base retangular com uma cobertura em arco e a segunda seção proposta é definida por três arcos com uma base plana. Essas seções além de possuir formato de geometria favorável à distribuição dos esforços solicitantes, mantêm o benefício de possibilitar uma compactação adequada do solo na lateral da galeria, como acontece em galerias retangulares convencionais, e isso garante o confinamento do solo e a redistribuição de pressões, graças à mobilização do efeito de arqueamento. Para considerar a interação solo-estrutura foram realizadas análises via elementos finitos com o pacote computacional GeoStudio® próprio para análises geotécnicas. Os resultados comprovaram a interferência do formato das geometrias no comportamento da interação solo-galeria e também evidenciaram que a redução da espessura das paredes da galeria mobiliza em maior intensidade a capacidade resistente do solo e isso reduz os esforços na estrutura. Quanto à análise dos dimensionamentos, com base na comparação dos custos evidenciou-se que, para as galerias modificadas a redução das taxas de armadura está relacionada com flecha do arco da cobertura, sendo que a economia verificada no custo total de materiais das seções estudadas variou de 4 a 29% comparado à galeria retangular. Para a galeria definida por três arcos, confirmou-se que quanto mais alongado for o seu formato, melhor é o comportamento à grandes profundidades de instalação, sendo que a economia verificada no custo total da galeria mais elíptica (DTA I-b) chegou a 50% em relação à galeria retangular e demais geometrias estudadas tiveram economia entre 17 e 42%. / Box culverts are often used in current drainage in the infrastructure of highways and railways. In order to provide more production\'s alternatives of precast concrete culvert, the research presents the comparative cost analysis for unusual cross sections, directed to large depths of installation. The first proposed cross section called modified culvert is composed of a rectangular base with an arc roof. The second is defined by three arcs with a flat base. These cross sections have geometric shapes favorable to the distribution of bending moment and shear forces. It maintains the benefit of adequate compaction of the backfill at the side of the culvert, as well as in conventional box culvert, which ensures ground confinement and pressure redistribution due to the mobilization of the arching effect. In order to consider the soil-structure interaction, finite element analyzes were performed using GeoStudio® software, which is a computational package specific for geotechnical analysis. The results showed that the geometries have influence on the behavior of the soil-culvert interaction, and that the reduction of the thickness of the culvert walls mobilizes the soil resistant capacity, reducing the stresses in the structure. Regarding the structural design, considering the comparison of costs, it was evidenced a reduction of steel reinforcements for the modified culvert, which is related to the arrow of the arc of the cover. The materials saving verified in the total cost of the studied sections ranged from 4% to 29% compared to the box culvert. For the culvert defined by three arches, it was evidenced that the more elongated its geometry, better the behavior for the great depths of installation. The highest materials saving was verified in the total cost of the most elliptical culvert (DTA I-b), which reached a value of 50%. Compared to the box culvert, the others geometries studied had savings between 17-42%.

Neste trabalho foi desenvolvida uma formulação alternativa para o acoplamento entre o método dos elementos de contorno (MEC) e o método dos elementos finitos (MEF) para análise não linear geométrica de estruturas reticuladas ligadas a meios contínuos bidimensionais heterogêneos, aplicado a problemas de interação solo-estrutura. O solo foi considerado com comportamento elástico linear e modelado via MEC por meio de uma formulação alternativa à clássica técnica de sub-região permitindo a consideração de múltiplas inclusões mais ou menos rígidas do que o material padrão e de linhas de carga internas aos domínios. Este código foi então acoplado ao programa AcadFrame, baseado no MEF posicional para análise não linear geométrica de pórticos com consideração de cinemática exata. O acoplamento numérico foi realizado por meio de uma formulação algébrica onde a matriz de rigidez do solo e a força de contato são condensadas e somadas à matriz e ao vetor de forças internas da estrutura a cada iteração no processo de Newton-Raphson. Em ambos os programas foi utilizada uma generalização do grau de aproximação dos elementos através dos polinômios de Lagrange, o que permite a utilização de elementos curvos de alta ordem. Foi utilizada ainda a técnica dos mínimos quadrados para reduzir as oscilações de forças de superfície no contato. Os resultados obtidos de forma geral são bastante satisfatórios e comprovam a eficiência da formulação. O trabalho permite a análise de problemas de edificações apoiadas sobre solos estratificados com múltiplas inclusões e linhas de carga. Permite tanto a análise de elementos apoiados diretamente sobre o solo (sapatas, radies) quanto de elementos internos e em qualquer direção, como no caso de estacas verticais ou inclinadas. Pode-se inclusive considerar as estacas passando por diferentes camadas de solo. A aplicação pode ser estendida ainda a outros problemas elásticos, acoplamento entre peças mecânicas e análise de materiais compostos. / This work presents an alternative coupling of the boundary element method (BEM) and the finite element method (FEM) to create a computer program for non linear geometric analysis of frames coupled to continuous domains, applied to soil-structure interaction. A linear elastic behavior is considered for the soil, modeled by BEM. An alternative formulation is adopted for the classic sub-region technique, allowing the consideration of multiple inclusions and load lines inside the soil domain. The BEM computational code is coupled to the AcadFrame software, based on positional FEM for non linear geometric analysis of frames, considering exact kinematics. The numerical coupling is made by an algebraic formulation where the soil stiffness matrix and contact forces are condensed and added to the structure matrix and internal forces for each iteration on Newton-Raphson process. On both programs it is adopted a generalization of the element degree assuming the Lagrange polynomials, which allows the use of curved high order elements. It was also implemented the least square method in order to obtains better and smoother results of surface forces in the contact interface. The obtained results are satisfactory and prove the formulation efficiency. The program allows the analysis of buildings supported by layered soils with multiples inclusions and load lines. It considers directly supported elements over the soil (footing foundations, radies) and internal elements in any direction, like vertical and diagonal piles. It can also consider piles going through different layers of the soil. This formulation can be applied to other elastic problems like coupling between mechanic pieces and composite material analysis.

Rapid growth in population along with positive trends in global economy over the past several decades has significantly contributed to an increased demand for various infrastructure needs worldwide. For this reason, the focus of this thesis has been directed towards extending the mechanics of unsaturated soils, which is an emerging geotechnical engineering field to investigate the behavior of two key infrastructure systems, namely pile foundations and energy pipeline systems. The mechanism of soil-pile foundations and soil-pipeline systems interaction behavior has several similarities. Both these infrastructure facilities require comprehensive understanding of the soil-structure interaction mechanism. Reliable estimation of mechanical properties of both the soil and the soil-structure interface is required for the rational interpretation the load-displacement behavior of pile foundations and pipeline systems. Currently, the design of systems is predominantly based on design codes and guidelines that use empirical procedures or employ the principles of saturated soil mechanics. In many scenarios, pile foundations extend either totally or partly in unsaturated soils as the groundwater table level in many regions is at a greater depth. Such scenarios are commonly encountered in semi-arid and arid regions of the world. In addition, pipeline systems are typically buried at shallow depths in unsaturated soil strata, which are susceptible to wetting and drying, freezing and thawing cycles or both, due to seasonal environmental changes. Capillary stress or matric suction in the unsaturated zone increases the effective stress contribution towards the shear strength and stiffness of soil and soil-structure interface. Extending saturated soil mechanics to design or analyze such structures may lead to erroneous estimation of pile foundation carrying capacity or loads transferred on pipeline body from the surrounding unsaturated soil. Experimental, analytical and numerical investigations were undertaken to study the behavior of single pile, pile group, and pipeline systems in saturated and unsaturated sands under static loading. The experimental program includes 40 single model pile and 2×2 pile group, and six prototype pipeline tests under saturated and unsaturated condition. The results of the experimental studies suggest that matric suction has significant contribution towards the mechanical behavior of both pile foundation and pipeline system. The axial load carrying capacity of single pile and pile group increased approximately 2 to 2.5 times and the settlement reduced significantly compared to saturated condition. The influence of matric suction towards a single pile is significantly different in comparison to pile group behavior. The cumulative influence of matric suction and stress overlap of pile group behavior in sandy soils result in erroneous estimation of pile group capacity, if principles of saturated soil mechanics are extended. Group action plays major role in changing the moisture regime under the pile group leading to incompatible stress state condition in comparison to single pile behavior. On the other hand, the peak axial load on the pipe is almost 2.5 folds greater in unsaturated sand that undergoes much less displacement in comparison to saturated condition. Such an increase in the external axial forces may jeopardize the integrity of energy pipeline systems and requires careful reevaluation of existing design models extending the principles of unsaturated soil mechanics. Two analytical design models to estimate the axial force exerted on pipeline body were proposed. The proposed models take account of matric suction effect and soil dilatancy and provide smooth transition from unsaturated to saturated condition. These models were developed since measurement of the unsaturated soil and interface shear strength and stiffness properties need extensive equipment that require services of trained professional, which are expensive and time consuming. The models utilize the saturated soil shear strength parameters and soil-water characteristic curve (SWCC) to predict the mechanical behavior of the structure in saturated and unsaturated cohesionless soils. The prototype pipeline experimental results were used to verify the proposed models. The predicted axial force on pipeline using the proposed models agrees well with the measured behavior under both saturated and unsaturated conditions. Moreover, numerical techniques were proposed to investigate the behavior of pile foundation and pipeline system in saturated and unsaturated sand. The proposed methodology can be used with different commercially available software programs. Two finite element analysis programs were used in this study; namely, PLAXIS 2D (2012) to simulate soil-pile foundation behavior and SIGMA/W (2012) to simulate soil-pipeline system behavior. The proposed techniques require the information of unsaturated shear strength and stiffness, which can be derived from saturated soil properties and the SWCC. The model was verified using pile and pipeline test results from this study and other research studies from the published literature. There is a good agreement between the measured behavior and the predicted behavior for both the saturated and unsaturated conditions. The methodology was further extended to investigate the behavior of rigid and flexible pipelines buried in Indian Head till (IHT) during nearby soil excavation activity. The simulation results suggest that excavation can be extended safely without excessive deformation to several meters without the need for supporting system under unsaturated condition. The studies summarized in the thesis provide evidence that the principles of saturated soil mechanics underestimate the pile foundations carrying capacity as well as the axial force exerted on pipelines in unsaturated soils. Such approaches lead to both uneconomical pile foundation and unsafe pipeline systems designs. For this reason, the pile and pile group carrying capacity and pipeline axial force should be estimated taking into account the influence of matric suction as well as the dilatancy of the compacted sand. The experimental studies, testing techniques along with the analyses of test results and the proposed analytical and numerical models are useful for better understanding the pile foundation and buried pipeline behaviors under both saturated and unsaturated conditions. The proposed analytical and finite element models are promising for applying the mechanics of unsaturated soils into conventional geotechnical engineering practice using simple methods.

Define-se infiltração da água no solo como a entrada da água através da superfície do solo. O processo de infiltração separa, assim, quanto da precipitação pluvial, por exemplo, flui sobre a superfície do solo e quanto flui abaixo da superfície do solo, esta última tanto vertical como horizontalmente. Diversos fatores interferem neste processo, podendo-se destacar aqueles relacionados ao tipo de solo e declividade do terreno e às características do solo e da cobertura vegetal, bem como aquelas relacionadas à precipitação. São conhecidas diversas equações de infiltração, propostas para expressar a lei da infiltração da água em solos, que é o gráfico da taxa de infiltração da água com o tempo. São equações desenvolvidas empiricamente ou a partir de considerações físicas e aplicam-se somente a solos homogêneos e que permanecem homogêneos durante o processo. Dados da literatura têm mostrado que para nossos solos o avanço da frente de molhamento no processo de infiltração vertical também é proporcional à raiz quadrada do tempo, como a solução da equação de Richards obtida por Philip para a infiltração horizontal, porém com uma velocidade maior. Dado este fato, levanta-se a hipótese de utilizar a equação proposta por Philip para a infiltração na direção horizontal também para a direção vertical, em colunas com amostra de solo indeformada e com amostra de solo homogeneamente remodelada. Este trabalho trata do processo da infiltração de água no solo, especificamente a vertical descendente. Pretendeu-se avaliar as equações clássicas da lei da infiltração em amostras homogêneas de três solos estruturalmente distintos com estrutura deformada e indeformada. O experimento foi conduzido em latoratório, em nove colunas com amostras de três solos com características distintas, sendo um Cambissolo Háplico, um Latossolo Vermelho Amarelo distrófico e um Nitossolo Vermelho eutroférrico. As curvas da taxa de infiltração foram determinadas em laboratório e o conteúdo de água foi determinado pela técnica da atenuação gama. A equação proposta por Kostiakov para a lei da infiltração ajustou-se muito bem (máximo R2 para todos os solos, com exceção da coluna indeformada do Nitossolo) por praticamente coincidir com a equação de ajuste estatistico dos dados. Já o mesmo não ocorreu com a equação proposta por Horton para a qual os coeficientes de determinação variaram de 0,528 a 0,898 (sem considerer a amostra do Nitossolo indeformada). Com relação ao modelo de Green & Ampt que, ao contrário das equações de Kostiakov e Horton que são modelos empíricos, pode-se dizer tratar-se de um modelo semi-analítico, os ajustes dos dados também não foram muito bons (R2 variando de 0,802 a 0,898, sem considerer a amostra do Nitossolo indeformada). O modelo quase todo analítico de Philip, baseado na solução da equação de Richards para a direção horizontal, ajustou-se muito bem aos dados desta pesquisa que foi desenvolvida para a direção vertical descendente, visto que o gráfico da posição de frente de molhamento em relação a fonte de água em função da raiz quadrada do tempo de infiltração resultou numa linha reta com alto coeficiente de determinação para todas as amostras (R2 maior que 0,99 para as deformadas e R2 maior que 0,95 para as deformadas). Todos os modelos apresentaram um ajuste ruim (R2 menor que 0,1) para a coluna indeformada do solo 3 (Nitossolo). Provavelmente devido à presença de bioporo no interior da coluna, com fluxo preferencial da água ou também ao processo de amostragem que é muito dificuldato devido a forte estruturação deste solo. / Soil water infiltration is defined as the entry of water through the soil surface. The infiltration process thus separates how much of the rainfall, for example, flows over the soil surface and how much it flows below the surface of the soil, the latter both vertically and horizontally. Several factors interfere in this process, being possible to highlight those related to the type of soil and slope of the terrain and to the characteristics of the soil and vegetation cover, as well as those related to precipitation. Several infiltration equations are known, proposed to express the law of water infiltration in soils, which is the graph of the infiltration rate of water as a function of time. They are equations developed empirically or from physical considerations and apply only to homogeneous soils that remain homogeneous during the process. Literature data have shown that for our soils the advance of the wetting front in the vertical infiltration process is also proportional to the square root of the time, as the solution of the Richards equation obtained by Philip for horizontal infiltration, but with a higher velocity. Given this fact, the hypothesis is proposed to use the equation proposed by Philip for the infiltration in the horizontal direction also for the vertical direction, in columns with undisturbed soil sample and with homogeneously remodeled soil sample. This work deals especifically with the process of vertical descending soil water infiltration. It was intended to evaluate the classical equations of the infiltration law in homogeneous samples of three structurally distinct soils with disturbed and undisturbed structure. The experiment was carried out in a laboratory, in nine columns with three soils distinct characteristics, being a Haplic Cambisol, a Dystrophic Yellow Red Latosol and an eutrophic Red Nitosol. The infiltration rate curves were determined in the laboratory and the water content was determined by the gamma ray attenuation technique. The equation proposed by Kostiakov for the infiltration law adjusted very well (maximum R2 for all soils, except for the undisturbed Nitosol column) since it practically coincide with the equation of statistical fit of the data. The same did not occur with the equation proposed by Horton for which the coefficients of determination ranged from 0,528 to 0.898 (not considering the undisturbed column of Nitosol. In relation to the Green & Ampt model, unlike the Kostiakov and Horton equations that are empirical models, it can be said that it is a semi-analytical model, the data adjustments were also not good changing from 0,802 to 0,848 also not considering the undisturbed Nitosol. Philip\'s almost all-analytical model, based on the solution of the Richards equation for the horizontal direction, fitted very well the data from this work that were conducted in the downward vertical direction, since the graph of the wet facing front position the water source as a function of the square root of the infiltration time resulted in a straight line with a high coefficient of determination for all samples (R2 greater than 0.99 for the deformed and R2 greater than 0.95 for the deformed ones). All models presented a poor fit (R2 less than 0.01) for the undisturbed soil 3 column (Nitosol). Probably due to the presence of biopore inside the column, with preferential flow of water or to the sampling process that is very difficult due to the strong structure of this soil.