Análise da eficiência de fundações ramificadas

Study of foundations in engineering is very relevant since these elements form the basis of virtually any building. Piles are foundation elements that use, in many cases, basically lateral friction as a mechanism for transferring loads, which depends on the surface contact area between the structure and the soil. Branched natural systems have large surface areas, such as tree’s roots, that use its branched geometry as an anchor system to increase its ability to withstand requests, like self weight and wind loads. This research presents a branched structure model based on fractal geometry, that may be used as an alternative solution for foundations. The aim of this research is to compare the performance of branched foundation models against standard stake ones. The performance of each model will be discussed for its load capacity, stress levels and displacements. In addition to that, analyse the efficiency related to increasing the number of branches in the structures, the impact due the adoption of different branching angles and the efficiency related to other branched model generation parameters. The model was simulated using PLAXIS, a software capable of modeling the non-linear soil behavior and the interface between soil and structure. The results of the simulations evidence that a branched structure compared to a standard pile with same volume presents higher carrying capacity and lower maximum displacements, showing that this structures are more efficient in both aspects. On the other hand, the rate of increase of load capacity comparing different branched models declines for structures with higher number of branches. The same behavior is observed for the reduction of displacements analysis. Simulating structures with different branch angles shows that, until a certain point, the higher the branching angles the higher the load capacity, however, angles higher than 60◦ showed a decrease in its load capacity. In general lines, the study suggests the concept of an optimum design model for a branched structure in both parameters, number of branch orders and branch angle, proposing the existence of an optimized structure, capable of increase the soil-foundation mechanical resistance properties without using a very complex geometry. The efficiency of this structural systems was also verified through a study with an adapted branched model that has no branch angle (inspired by torpedo stakes), by using laboratory tests and computational analysis, whose results corroborate the efficiency of using branched geometries in optimizing the resistance of foundation systems. The studies showed that branched structures have a good potential to be used as a solution for edification foundation systems.O estudo das fundações em engenharia civil é de grande relevância, uma vez que tais elementos constituem a base estrutural de praticamente toda edificação. As estacas são elementos de fundação profundos, cujo mecanismo de transferência de cargas ocorre, em muitos casos, quase totalmente pelo atrito lateral, que depende diretamente da área de contato entre estrutura e solo. É fato que sistemas ramificados naturais têm grandes áreas de superfície, como é o caso de árvores que usam suas raízes ramificadas como um sistema de ancoragem capaz de aumentar sua resistência à solicitações como peso próprio e ventos. Neste estudo, desenvolve-se um modelo de estrutura ramificada baseado na geometria fractal, proposto como solução alternativa para fundações. O objetivo da pesquisa consiste em comparar o desempenho de modelos ramificados com o de modelos convencionais de fundação por estaca, sob o ponto de vista de capacidade de suporte, tensões e deslocamentos. O estudo também busca avaliar a eficiência relacionada ao aumento do número de ramos nas estruturas, os impactos gerados pela adoção de diferentes ângulos de ramificação, além da eficiência associada a outros parâmetros de geração do modelo ramificado. Os modelos foram simulados no PLAXIS, software capaz de modelar o comportamento não linear do solo e simular a interface solo-estrutura. As simulações evidenciaram que uma estrutura ramificada comparada a uma estaca padrão de mesmo volume apresenta maior capacidade de carga e menores deslocamentos, sendo, portanto, mais eficiente em ambos os aspectos. A capacidade de carga é crescente quando se comparam modelos com mais ordens, entretanto, há um desaceleramento no crescimento para as estruturas mais ramificadas. O mesmo comportamento é observado no que diz respeito a redução dos deslocamentos. As simulações de estruturas com diferentes angulações mostraram que, até certo ponto, quanto maiores os ângulos de ramificação, maiores as capacidades de carga, porém, ângulos superiores a 60◦ apresentam um decaimento nas cargas máximas resistidas. Em linhas gerais, os estudos remetem ao conceito de projeto ótimo para estruturas ramificadas sob ambas as óticas, número de ordens ideal e ângulo de ramificação ideal, propondo a existência de uma estrutura otimizada, capaz de incrementar as propriedades resistivas do sistema solo-fundaçã sem necessitar uma geometria muito complexa. A eficiência dessas estruturas é verificada experimentalmente a partir de um estudo realizado com um modelo de fundação ramificado adaptado sem ângulo de ramificação (inspirado em estacas torpedo), através de ensaios e simulações computacionais, cujos resultados corroboraram a eficiência da utilização de geometrias ramificadas na otimização da resistência de fundações. De maneira geral, pode-se dizer que as estruturas ramificadas apresentam bom potencial para serem utilizadas como solução para o sistema de fundações de uma edificação.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio