Offshore wind foundation design: some key issues

Despite the growth of the offshore wind industry, there are currently doubts relating to the design of wind facilities in the sea. This paper expounds current, already identified structural uncertainties: problems for soil characterization and transition piece (TP) design. This document also introduces new doubts or issues to be researched in the near future in this field (wave theory, scour process, wave load actions, scale difficulty, etc.), not as yet identified due to the scarce experience in the offshore wind industry. With this in mind, technical offshore wind standards related to foundation design have been reviewed.

Multi-objective foundation optimization and its application to pile reuse

Pile reuse has become an increasingly popular option in foundation design, mainly due to its potential cost and environmental benefits and the problem of underground congestion in urban areas. However, key geotechnical concerns remain regarding the behavior of reused piles and the modeling of foundation systems involving old and new piles to support building loads of the new structure. In this paper, a design and analysis tool for pile reuse projects will be introduced. The tool allows coupling of superstructure stiffness with the foundation model, and includes an optimization algorithm to obtain the best configuration of new piles to work alongside reused piles. Under the concept of Pareto Optimality, multi-objective optimization analyses can also reveal the relationship between material usage and the corresponding foundation performance, providing a series of reuse options at various foundation costs. The components of this analysis tool will be discussed and illustrated through a case history in London, where 110 existing piles are reused at a site to support the proposed new development. The case history reveals the difficulties faced by foundation reuse in urban areas and demonstrates the application of the design tool to tackle these challenges. © ASCE 2011.

A Study on the liquefaction risk in seismic design of foundations

A fully coupled non-linear effective stress response finite difference (FD) model is built to survey the counter-intuitive recent findings on the reliance of pore water pressure ratio on foundation contact pressure. Two alternative design scenarios for a benchmark problem are explored and contrasted in the light of construction emission rates using the EFFC-DFI methodology. A strain-hardening effective stress plasticity model is adopted to simulate the dynamic loading. A combination of input motions, contact pressure, initial vertical total pressure and distance to foundation centreline are employed, as model variables, to further investigate the control of permanent and variable actions on the residual pore pressure ratio. The model is verified against the Ghosh and Madabhushi high acceleration field test database. The outputs of this work is aimed to improve the current computer-aided seismic foundation design that relies on ground’s packing state and consistency. The results confirm that on seismic excitation of shallow foundations, the likelihood of effective stress loss is greater in deeper depths and across free field. For the benchmark problem, adopting a shallow foundation system instead of piled foundation benefitted in a 75% less emission rate, a marked proportion of which is owed to reduced materials and haulage carbon cost.

Contribuição à confiabilidade de estacas cravadas através de um estudo de caso com aplicação da teoria Bayesiana.

Nos diversos segmentos da Geotecnia e em especial na área de fundações, o engenheiro se depara com uma série de incertezas. Algumas destas incertezas são inerentes à variabilidade local do solo, às condições de carregamento, aos efeitos do tempo, às diferenças nos processos executivos, erros de sondagens, que influenciam diretamente a estimativa da capacidade de carga da fundação, seja por ocasião de seu carregamento estático, seja durante ou logo após a cravação. O objetivo desta dissertação é a adaptação, a estacas em terra (onshore), de um procedimento concebido originalmente para emprego em estacas offshore, que trata da atualização da estimativa da resistência durante a cravação, com base em registros documentados durante a execução. Neste procedimento a atualização é feita através da aplicação dos conceitos da análise Bayesiana, assumindo que os parâmetros da distribuição probabilística utilizada sejam variáveis randômicas. A incerteza dos parâmetros é modelada por distribuições a priori e a posteriori. A distribuição a posteriori é calculada pela atualização da distribuição a priori, utilizando uma função de máxima verossimilhança, que contém a observação obtida dos registros de cravação. O procedimento é aplicado a um conjunto de estacas de um extenso estaqueamento executado na Zona Oeste do Rio de Janeiro. As estimativas atualizadas são posteriormente comparadas aos resultados dos ensaios de carregamento dinâmico. Várias aplicações podem surgir com o emprego deste procedimento, como a seleção das estacas que, por apresentarem reduzido valor de estimativa atualizada de resistência, ou uma maior incerteza desta estimativa, devam ser submetidas a provas de carga. A extensão deste estudo a diferentes tipos de estacas em perfis de solo de natureza distintos poderá levar ao desenvolvimento de sistemas mais adequados de controle de execução, capazes de identificar as principais incertezas presentes nos diferentes tipos de execução de estacas, contribuindo assim para a otimização de futuros projetos de fundações.

Critério estatístico para obtenção de valores de NSPT para previsão da capacidade de carga de estacas por métodos semi empíricos.

Uma das tarefas mais desafiadoras do engenheiro na área da Geotecnia é a escolha dos valores de parâmetros geotécnicos obtidos de ensaios de campo ou laboratório e que serão utilizados nos modelos analíticos ou numéricos na fase de projeto de fundações. Diante das incertezas inerentes aos ensaios de SPT e da heterogeneidade de abordagens para a utilização dos valores de NSPT, é proposta neste estudo, a aplicação de um critério estatístico para obtenção de valores de NSPT, a partir da construção de intervalos de confiança de 95% de probabilidade em torno da reta ajustada de regressão linear simples entre a variável aleatória NSPT e a profundidade. Os valores obtidos de NSPT pelo critério aplicado foram utilizados na previsão da capacidade de carga de 19 estacas isoladas a partir da utilização de três métodos semi-empíricos: Aoki-Velloso (1975) com coeficientes alterados por Monteiro (1997), Décourt & Quaresma (1978) alterado pelo método de Décourt (1996) e Método de Alonso (1996). As cargas de ruptura dessas 19 estacas ensaiadas através de Provas de Carga Estática foram obtidas pelos métodos de extrapolação de Van Der Veen (1953) e Décourt (1996) e serviram para comparação e consequente validação do critério estatístico. Adicionalmente, com fulcro no item 6.2.1.2.1 da ABNT NBR 6122:2010 Resistência calculada por método semi-empírico, foram avaliados os fatores de segurança em relação às cargas de projeto, inclusive, também se utilizando da premissa de reconhecimento de regiões representativas, levando em conta o número de ensaios de SPT executados, fato que promove uma diminuição da incerteza dos parâmetros, apontando a um menor fator de segurança. A dissertação enfatiza as vantagens de um adequado tratamento estatístico dos parâmetros geotécnicos, a exemplo da recomendação já existente nas normas internacionais como Eurocódigo e outras. O critério construído permite e encoraja análises e decisões racionais no universo das partes interessadas consumidores, projetistas, fiscais de obras, contratantes e comunidade científica promovendo as discussões de forma mais objetiva e harmoniosa sobre o tema.

Contribuição à confiabilidade de estacas tipo raiz através de um estudo de provas de carga estáticas com aplicação da teoria bayesiana.

Atualmente, o assunto de segurança em fundações tem despertado a atenção de diversos pesquisadores. Muitos entendem ser ultrapassada a utilização, pura e simples, de fatores de segurança em obras geotécnicas. O tratamento determinístico nos projetos de fundações não corresponde às variações e incertezas geradas em todo o processo de investigação do subsolo e processo executivo da fundação, sendo ainda o projeto de fundações um fim de linha de uma longa fila de disciplinas que a precedem e que geram também incertezas nas informações de esforços de suas estruturas e solicitações nas fundações. Porém, são as fundações as primeiras a serem executadas em qualquer obra civil. Este aspecto tem levado à necessidade crescente de verificar também a probabilidade de ruína da fundação por meio da chamada análise de confiabilidade. Com o objetivo de contribuir com a discussão sobre o emprego da análise de confiabilidade, as orientações da norma e o aprimoramento de modelos de cálculo, esta dissertação apresenta, através da aplicação em um estudo de caso, os diferentes aspectos de segurança abordados em projetos de fundações. Procura-se destacar dois tipos básicos de incertezas: aquelas inerentes à variabilidade espacial das propriedades do solo e as decorrentes do modelo de cálculo. Nesta pesquisa são procedidas inicialmente as extrapolações das curvas das provas de carga, que resultarão nos valores da função de Verossimilhança, para a atualização por Bayes. Numa segunda etapa se procede à estimativa da capacidade de carga a priori por alguns métodos consagrados e amplamente utilizados no Brasil. A atualização da estimativa da capacidade de carga é, a seguir, realizada através da metodologia de Bayes, sendo esta uma aplicação de conceitos da probabilidade condicional. A ideia de se proceder a estas duas alternativas de análise à priori foi norteada por duas motivações distintas: i) contribuir para a prática, pelo procedimento de combinação de informações num caso real bem documentado, conforme proposto por Vrouwenvelder (1992) e ii) motivar discussão de opiniões polêmicas de engenheiros de fundações brasileiros em relação à adoção de um fator de segurança inferior a 2 no caso de provas de carga especificadas na fase de projeto.

Dynamic models of piled foundations

The vibration behavior of piled foundations is an important consideration in fields such as earthquake engineering, construction, machine-foundation design, offshore structures, nuclear energy, and road and rail development. This paper presents a review of the past 40 years' literature on modeling the frequency-dependent behavior of pile foundations. Beginning with the earliest model of a single pile, adapted from those for embedded footings, it charts the development of the four pile-modeling techniques: the "dynamic Winkler-foundation" approach that uses springs to represent the effect of the soil; elasticcontinuum-type formulations involving the analytical solutions for displacements due to a subsurface disk, cylinder, or other element; boundary element methods; and dynamic finite-element formulations with special nonreflecting boundaries. The modeling of pile groups involves accounting for pile-soil-pile interactions, and four such methods exist: interaction factors; complete pile models; the equivalent pier method; and periodic structure theory. Approaches for validating pile models are also explored. Copyright © 2013 by ASME.

A role of monitoring to reduce the uncertainty in the performance of pile foundations

In typical conventional foundation design, the inherent variability of soil properties, model uncertainty and construction variability are not modeled explicitly. A main drawback of this is that the effect of each variability on the probability of an unfavorable event cannot be evaluated quantitatively. In this paper, a method to evaluate the uncertainty-reduction effect on the performance of a vertically-loaded pile foundation by monitoring the pile performance (such as pile load testing or placing sensors in piles) is proposed. The effectiveness of the proposed method is examined based on the investigation of a 120-pile foundation placed on three different ground profiles. The computed results show the capability of evaluating the uncertainty-reduction effect on the performance of a pile foundation by monitoring. © 2014 Taylor & Francis Group, London.

Supporting active learning in an undergraduate geotechnical engineering course using group-based audience response systems quizzes

The use of audience response systems (ARSs) or ‘clickers’ in higher education has increased over the recent years, predominantly owing to their ability to actively engage students, for promoting individual and group learning, and for providing instantaneous feedback to students and teachers. This paper describes how group-basedARSquizzes have been integrated into an undergraduate civil engineering course on foundation design. Overall, theARSsummary quizzes were very well received by the students. Feedback obtained from the students indicates that the majority believed the group-based quizzes were useful activities, which helped to improve their understanding of course materials, encouraged self-assessment, and assisted preparation for their summative examination. Providing students with clickers does not, however, necessarily guarantee the class will be engaged with the activity. If an ARS activity is to be successful, careful planning and design must be carried out and modifications adopted where necessary, which should be informed by the literature and relevant student feedback.

Projeto de fundações e estrutura de um edifício de betão armado

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil Área de Especialização em Estruturas

Dilatometer tests in a Leda clay crust

The dilatometer test results have been lately applied in foundation design for prediction of settlement and bearing capacity problems. The equipment, its calibration, test procedures and test data interpretation are simple. These advantages seem to explain the increasing use of the dilatometer (DMT) test as a routine technique for subsoil investigation. The DMT test boreholes were carried out on the grounds of the National Research Council (NRC) in Ottawa. Several test results based on laboratory, and other in situ tests available in the literature for the Leda clay deposit in Ottawa area were used to provide correlations between geotechnical properties and soil index parameters as proposed by Marchetti (1980). More appropriated relationships, even though preliminaries, are presented for the crust layer.

Determination of soil properties from standard penetration test complemented by torque measurement (SPT-T)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dimensionamiento de cimentaciones profundas mediante pilotes : Aplicación a la autovia noroeste de Murcia

Este proyecto tiene por objetivo la realización de un análisis comparativo de la normativa española existente para el cálculo de la carga de hundimiento de cimentaciones mediante pilotes, viendo el contenido de cada una de ellas y aplicándolo a un caso práctico. Inicialmente se realiza un planteamiento general del modo de cálculo de la carga de hundimiento de los pilotes desde el punto de vista estático. A continuación se recoge la formulación existente en el Código Técnico de la Edificación (CTE), en las Recomendaciones para Obras Marítimas y Portuarios (ROM 05-05) y en la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (GCOC) viendo de donde se extraen las fórmulas empleadas en ellas. Para pasar a realizar un análisis comparativo de ellas con la ayuda de distintos gráficos y viendo la relación que presentan unos códigos con otros tanto para suelos granulares como cohesivos y pilotes hincados y excavados, que es lo que distinguen los tres códigos generalmente. Por último, se realiza un análisis comparativo de los resultados obtenidos para la cimentación de tres viaductos de la autovía Noroeste de Murcia realizando un análisis económico de esta cimentación. ABSTRACT The aim of this project is to develop a comparative analysis of the actual Spanish regulations for the calculation of sinking’s load of foundation design based on timber piles, observing the contents of each and every one of them an applying it to a real and practical situation. To begin with, a general proposal is made from calculation the sinking load of the timber piles from the static point of view. Next, the actual formulation is gathering in “Código Técnico de la Edificación” (CTE), “Recomendaciones para Obras Marítimas y Portuarias” and “Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera”, observing where the applied formulas are calculated from. Thereupon, a coparativeanalysis of them is carry out with the help of different graphics and facing the connections from some codes to anothers, not only for granular but for cohesive surface, and for drilling and digging out piles, that’s what generally distinguishes among for three codes. Finally, a comparative analysis of obtained results is carry out for the foundation of the three viaducts of Murcia’s NorthWest motorway, accomplishing economical analysis of this foundation.