O estudo das fundações em engenharia civil é de grande relevância, uma vez que essas estruturas constituem a base estrutural de praticamente toda edificação. Dentre os modelos de fundações existentes destacam-se as estacas, que são elementos de fundação profundos, cujo mecanismo de transferência de cargas da edificação para o solo ocorre, em muitos casos, basicamente por atrito lateral, que por sua vez depende diretamente da área de contato superficial entre a estrutura e o solo.
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Ilustração de uma fundação do tipo estaca
Sistemas ramificados são constantemente observados na natureza e tais sistemas possuem grandes áreas de superfície, como é o caso de árvores que, por exemplo, usam seus sistemas de raízes ramificadas para aumentar sua capacidade de suportar solicitações, como cargas de vento laterais.
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Ilustração de árvore e sua raiz
A pesquisa realizada buscou desenvolver um modelo de estrutura ramificada baseado na geometria fractal, a ser proposto como solução alternativa para fundações, com o objetivo de comparar o desempenho dos modelos ramificados com o do modelo padrão de fundação por estaca, sob o ponto de vista de capacidade de suporte, tensões e deslocamentos. Além disso, o estudo buscou comparar, ainda, a eficiência relacionada ao aumento do número de ramos nas estruturas e o impacto gerado pela adoção de diferentes ângulos de ramificação entre ordens consecutivas. Os modelos foram simulados no PLAXIS, um software baseado no método dos elementos finitos, capaz de modelar o comportamento não linear do solo, além de permitir a simulação da interface entre solo e estrutura. As simulações se dividiram em bidimensionais (modelos 2D) e tridimensionais (modelos 3D), realizadas respectivamente no PLAXIS 2D e PLAXIS 3D.
Através das simulações bidimensionais foi possível observar que uma estrutura ramificada comparada a uma estaca padrão de mesmo volume apresenta maior capacidade de carga e menores deslocamentos máximos.
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Exemplos de ramificações em 2D
As simulações de estruturas com diferentes angulações mostraram que, até certo ponto, quanto maiores os ângulos de ramificação, maior a capacidade de carga.
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Exemplo de diferentes angulações
As simulações tridimensionais realizadas sinalizaram resultados positivos. Apesar das limitações encontradas na representação espacial da geometria ramificada, que devem ser exploradas mais a fundo posteriormente, o modelo ramificado tridimensional apresentou capacidade de carga maior que o modelo convencional em cerca de 15%, e seus deslocamentos para cargas iguais foram cerca de 75% menores que os apresentados pelo modelo convencional. Comprovando a eficiência da utilização da geometria ramificada sob uma perspectiva tridimensional.
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Modelo tridimensional da fundação ramificada
Os estudos nos remetem ao conceito de projeto ótimo para uma estrutura ramificada em ambas as óticas, número de ordens ideal e ângulo de ramificação ideal, que pode resultar na concepção de uma estrutura mais eficiente como solução para o sistema de fundações de uma edificação.
Atualmente, buscando aproximar a pesquisa realizada de aplicações práticas, já viáveis de serem executadas em obras reais, estuda-se um modelo de fundação ramificada adaptado sem o ângulo de ramificação, inspirado nas chamadas estacas torpedo, estruturas amplamente utilizadas pela indústria do petróleo para a ancoragem de plataformas offshore.
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Estaca torpedo ramificada
O modelo adaptado foi simulado no PLAXIS 3D, e os resultados foram promissores. O modelo ramificado em torpedo apresentou capacidade de carga significativamente superior à de um modelo convencional de mesmo volume, além de deslocamentos verticais reduzidos.
Ficou interessado em saber mais sobre essa pesquisa? Confira nossa página de publicações (abre em nova aba) e clique no artigo Estruturas ramificadas como solução alternativa para fundações (abre em nova aba) dos autores Illa B. Soncin, Lucas T. Souza e Marcelo M. Barros.