Reliability and cost models of axial pile foundations

Abstract

Pile foundations are often used for important structures, and thus, reliability evaluation is an important aspect of the design. Unlike the approach to reliability evaluation used in structural engineering, the traditional procedure used in geotechnical designs addresses uncertainties through high global or partial safety factors, mostly based on past experience. However, this approach to addressing uncertainties does not provide a rational basis for understanding their influence on design. For this reason, and because of regulation codes and social concerns (such as sustainability), geotechnical engineers need to improve their ability to deal with uncertainties and probabilities to help with decision-making. Reliability methods have become increasingly important as decision support tools. The main benefit of reliability analysis is that it provides quantitative information about the parameters (uncertainties) that most significantly influence the behaviour under study. This makes risk control, the determination of the potential causes of adverse effects on the structure, possible. In particular, the design of pile foundations still involves many limitations and uncertainties, particularly when there is not enough investment in soil characterisation and/or pile load tests. In addition to the uncertainties associated with soil characterisation, physical, statistical, spatial and human uncertainties exist. Hence, because it is technically and economically impossible to produce designs of pile foundations in the most unfavourable of cases, it is the engineer’s goal to minimise the risk and limit it to an acceptable level in the most economical manner possible. Towards this, reliability theory needs to be adapted to the needs and objectives of geotechnical engineering. In this subject, the primary purpose of this dissertation is to demonstrate the application of reliability methods to geotechnical design and more particularly to two distinct case studies of vertical single pile foundations under axial loading. This dissertation also presents a simple and practical approach to performing reliability-based design, obtaining valuable information from it. For that purpose, sensitivity and cost analyses were conducted to study the influence of each uncertainty type. Two well-known reliability methods, the first-order reliability method (FORM) and Monte Carlo simulations (MCS) were applied to the case studies for comparison. In addition, reliability-based safety factors were evaluated and discussed. Another purpose of this dissertation is to demonstrate the advantages of employing reliability tools in the decision-making process for pile foundation design. The decision-making related to the economic and research investments required for gathering the information necessary to characterise the uncertainties associated with important random variables, in both pile design and its reliability, is facilitated by the type of balanced analyses presented in this dissertation. It is concluded that, even though the extent to which this can be accomplished depends on the engineer’s knowledge and the project’s budget for investigation, geotechnical engineering definitely benefits from the consideration of reliability in design. It is finally intended to provide knowledge and tools for code harmonisation between structural and geotechnical designs, and also encourage the development of such in geotechnical practice, international standards and conformity in assessment systems.

As fundações por estaca são utilizadas em obras de grande importância, e por esse motivo a fiabilidade na avaliação da segurança é um ponto essencial no seu dimensionamento. Ao contrário do que acontece em engenharia estrutural, a fiabilidade geotécnica é ainda obtida através de elevados coeficientes de segurança, globais ou parciais, na sua maioria com base empírica. No entanto, esta forma de tratar as incertezas não apresenta uma base racional para compreender a sua influência no dimensionamento e no projeto. Por estas razões, por questões de preocupação sociais (como a sustentabilidade) e também para obedecer às novas regulamentações, os engenheiros geotécnicos devem melhorar a sua capacidade para tratar as incertezas e gerir probabilidades, para que com isto possam ter ajuda nas tomadas de decisão. Os métodos de fiabilidade têm ganho uma importância crescente como ferramentas de ajuda e suporte a tomadas de decisão. As principais vantagens são a quantificação da probabilidade de ocorrência do comportamento da estrutura em estudo e a obtenção de informação sobre os parâmetros (incertezas) que mais o influenciam. Isto melhora o controlo do risco e a determinação das potenciais causas de efeitos adversos sobre a estrutura. Em particular, o dimensionamento de fundações por estaca ainda tem várias limitações e diversas incertezas, especialmente quando não existe investimento suficiente na caracterização do solo e/ou na realização de ensaios de carga. A esta incerteza no solo e seu comportamento, acrescentam-se ainda as incertezas físicas, estatísticas, espaciais e erros humanos. Assim, sendo tecnicamente e economicamente impossível fazer dimensionamentos considerando os casos mais desfavoráveis, é objetivo de um engenheiro minimizar e controlar os riscos a um nível aceitável da forma mais económica possível. Para tal a teoria da fiabilidade deve ser adaptada às necessidades e objetivos da engenharia geotécnica. Neste contexto, este trabalho pretende demonstrar como realizar análises de fiabilidade, introduzindo as incertezas no dimensionamento do ponto de vista geotécnico. Dois casos de estudo de duas fundações por estaca submetidas a carga axial são apresentados, explicando metodologias simples e práticas para realizar análises de fiabilidade, das quais um engenheiro pode obter informações valiosas e importantes. Para tal, análises de sensibilidade envolvendo as técnicas de fiabilidade e custos foram realizadas a fim de investigar a influência de cada parâmetro (incerteza) considerada. Dois métodos tradicionais de fiabilidade, o método de fiabilidade de primeira ordem (FORM) e o método de simulação de Monte Carlo (MCS), foram aplicados aos casos de estudo para comparação entre si. Além disso, coeficientes de segurança baseados nas técnicas de fiabilidade foram também avaliados e discutidos. Outro objetivo deste trabalho é demonstrar as vantagens da utilização das ferramentas de fiabilidade no processo de tomada de decisão no projeto e dimensionamento de fundações por estaca. As tomadas de decisão relativas a investimentos económicos e em investigação, necessários para a recolha de informação essencial para caracterizar as incertezas mais influentes, é facilitada com o tipo de análises apresentadas neste trabalho. Conclui-se portanto que, embora este tipo de investimento depende consideravelmente do conhecimento do engenheiro responsável e do orçamento disponível para a obra em questão, o projeto e dimensionamento iriam beneficiar notavelmente com este tipo de análises baseadas nas técnicas de fiabilidade. Finalmente, este trabalho é destinado a fornecer conhecimentos e ferramentas para a harmonização entre os dimensionamentos estrutural e geotécnico, e também incentivar o desenvolvimento destas técnicas na prática de geotecnia, na normalização internacional e na conformidade dos sistemas de avaliação.