Estudo do comportamento de monoestacas executadas em areia submetidas a carregamento transversal : campo experimental de Araquari

Abstract

A otimização de estacas capazes de suportar e distribuir adequadamente esforços horizontais e momentos fletores de elevada magnitude tem se mostrado cada vez mais necessária frente aos avanços do setor eólico offshore, o qual apresenta condições distintas à prática geotécnica usual, com maiores geometrias e comportamentos significativamente mais rígidos. Apesar da sua ampla aplicação, observa-se uma lacuna entre as condições de monoestacas de grande diâmetro e os métodos de dimensionamento atualmente adotados, desenvolvidos com base em estacas flexíveis aplicadas ao mercado de petróleo e gás. Esta pesquisa teve como objetivo investigar o desempenho e os mecanismos de interação de conjuntos solo-estaca submetidos a esforços transversais a partir de provas de carga monotônicas realizadas em pares de diferentes comportamentos estruturais. Dez monoestacas instrumentadas foram instaladas no solo arenoso do Campo Experimental de Araquari, contemplando distintos diâmetros (139.7mm, 273mm e 508mm) e razões de esbeltez (L/D= 14.3, 7.3 e 3.9). Buscando uma condição de ruptura em termos de deslocamentos em superfície (vsup) equivalentes à 10% do diâmetro D das estacas, os esforços máximos aplicados variaram de 10 kN a 50 kN, resultando em deslocamentos horizontais máximos de superfície de 8 a 55 mm e rotações de topo entre 0.6 e 2.6° (condição ELU). A instrumentação composta por extensômetros, inclinômetros, relógios comparadores, acelerômetros e transdutores lineares de posição, permitiu avaliar de forma robusta o comportamento desses conjuntos, evidenciando a complexidade da interação solo-estrutura e a influência de fatores como rigidez relativa, geometria, condições de instalação e procedimento e nível de carregamento. A calibração dos parâmetros representativos do conjunto foi obtida a partir da retroanálise das medições de campo por modelagem numérica, destacando a regência do módulo de deformabilidade operacional do solo e o uso da extensometria e inclinometria de forma complementar na avaliação dos esforços em profundidade. Definidas as propriedades do solo e estaca, as previsões e medições de campo foram comparadas a metodologias de previsão de desempenho desenvolvidas especificamente para monoestacas de aerogeradores offshore (Método PISA/GDSM) e àquelas recomendadas a partir de resultados de estacas flexíveis (API). Embora as estacas de maior rigidez tenham seu comportamento reproduzido de forma coerente por todos os métodos, observa-se uma maior complexidade de aplicação da metodologia PISA, com forte influência dos parâmetros de entrada e do processo de ajuste das curvas p-v. As estacas de rigidez flexível e intermediária foram mais bem representadas pelas modelagens numérica e API, relacionadas aos estados de serviço e último, respectivamente. Outras discussões referentes aos modelos de previsão, ao processo de derivação dos esforços e da interação solo-estrutura também foram apresentadas.

In foundation engineering, optimizing piles capable of adequately supporting and distributing high-magnitude horizontal loads and bending moments has become increasingly necessary due to advancements in the offshore wind industry. These offshore conditions present distinct characteristics compared to the usual geotechnical practice, with larger geometries and significantly more rigid behaviours. Despite the widespread use of laterally loaded piles, a gap persists between the in-situ conditions of large-diameter monopiles and the current design methods, which have been developed based on flexible piles of the oil and gas industry. This research investigated soil-pile systems' performance and interaction mechanisms subjected to active and monotonic transverse loads for different structural behaviours. To this end, ten instrumented tubular monopiles with different diameters (139.7 mm, 273 mm, and 508 mm) and slenderness ratios (L/D = 14.3, 7.3, and 3.9) were installed in the sandy soil of the Araquari Experimental Field and tested in pairs, following procedures of the ASTM D3966-07 standard. Aiming a failure condition in terms of surface displacements (vsup) equivalent to 10% of the pile diameter D, the maximum applied loads ranged from 10 kN to 50 kN, resulting in maximum horizontal surface displacements of 8 to 55 mm and top rotations between 0.6 and 2.6° (ULS condition). The instrumentation composed of strain gauges, inclinometers, dial indicators, accelerometers and linear position transducers allowed for a robust evaluation of the behaviour of these monopiles under transverse loading, evidencing the complexity of the soil-structure interaction and the influence of factors such as relative stiffness, geometry, installation conditions and loading level and procedure. A numerical back-analysis of the field measurements using finite element modeling (FEM) allowed for the calibration of the representative soil parameters, highlighting the relevance of the operational soil deformation modulus and the complementary use of extensometers and inclinometer evaluating the forces at depth, Once the properties of the soil and pile were defined, the predictions and field measurements were compared to prediction methodologies developed explicitly for offshore wind monopiles (PISA Method/GDSM) and those recommended in practice-based for flexible piles (API). Although all methods consistently reproduced the behaviour of the stiffer piles, greater complexity was observed when applying the PISA methodology, which was influenced strongly by input parameters and the curve fitting process of p-v. The flexible and intermediate stiffness piles were better represented by the numerical and API modeling, related to the service and ultimate states, respectively. This research also discussed the prediction models, the process of deriving forces, and the multiple dependencies associated with the soil-structure interaction.