Fundações de concepção para edifícios de edifícios altos: Considerações práticas e cálculos

A concepção de fundações para edifícios de edifícios de edifícios elevados representa um dos desafios mais críticos e complexos da engenharia estrutural e geotécnica. O sistema de fundação serve como a interface crucial entre a superestrutura e o solo, responsável pela transferência segura de cargas verticais maciças, forças laterais do vento e da atividade sísmica, e momentos de derrubamento para o solo ou rocha subjacente. O peso de construção, e portanto a carga vertical a ser apoiada pela fundação, pode ser substancial. Este guia abrangente explora as considerações práticas, metodologias de projeto, procedimentos de cálculo e melhores práticas que os engenheiros devem entender para criar sistemas de fundação seguros, econômicos e duráveis para edifícios altos.

Compreender os edifícios de alto nível e os requisitos da fundação

"Estrutura alta" (muitas vezes referida como "construção alta") é caracteristicamente um edifício com uma pequena área de pegada e telhado, mas uma fachada muito longa e alta. A classificação do que constitui um edifício alto varia dependendo do contexto e localização. De acordo com o Conselho de Edifícios Altos e Habitat Urbano (CBTUH), as seguintes categorias podem ser usadas. Primeiro, o contexto urbano em que o edifício existe. Se um edifício de 10 andares está localizado em uma área de negócios central cercada por edifícios de 20 andares, então ele pode não ser considerado alto. No entanto, se estiver localizado em uma área suburbana que é predominantemente de baixo nível, então pode ser considerado alto.

Outra forma de considerar um edifício alto é pela sua relação de esbeltez. A relação de esbeltez é obtida dividindo a altura total do edifício pela menor das dimensões da largura da base. Numa relação de esbeltez de 5 ou menos, o sistema estrutural pode normalmente acomodar as cargas laterais típicas para estruturas de baixo ou médio. Por outro lado, para uma relação de esbeltez de 5 ou acima, é aí que a esbeltez da estrutura pode afetar significativamente o desenho. Nesta gama de relações de esbeltez, o sistema estrutural estará trabalhando mais duro para resistir às forças laterais e o comportamento dinâmico é provável de ser dominante na solução estrutural, e assim o edifício é considerado alto.

As características únicas dos edifícios de edifícios elevados criam desafios específicos para o design das fundações. Os edifícios de edifícios altos são frequentemente rodeados por estruturas de pódio de arranha-céus de baixo nível que são submetidas a cargas muito menores. Assim, as fixações diferenciais entre as porções de altos e baixos edifícios precisam ser controladas. Além disso, as forças laterais impostas pelo carregamento do vento, e os momentos conseqüentes no sistema de fundação, podem ser muito elevados. Estes momentos podem impor cargas verticais aumentadas na fundação, especialmente nas pilhas exteriores dentro do sistema de fundação. O desenho estrutural das pilhas precisa ter em conta estas cargas aumentadas que atuam em conjunto com as forças e momentos laterais.

Tipos de sistemas de fundação para edifícios de alto nível

A seleção de um tipo de fundação adequado é fundamental para o sucesso de qualquer projeto de construção de edifícios altos. O tipo de fundação que você escolher dependerá de vários fatores, incluindo o tamanho e peso do edifício, as condições do solo e o orçamento geral. As opções de fundação para estruturas altas variam de uma balsa que transfere as cargas de construção para a camada de solo imediata diretamente abaixo da estrutura, ou uma solução totalmente empilhada para transferir cargas estruturais de camadas fracas de solos para estratos mais firmes, ou um sistema composto que usa tanto balsa e soluções empilhadas.

Fundações profundas de pilha

Fundações profundas são tipicamente usadas quando a superfície do solo não é forte o suficiente para suportar a carga do edifício. Para resolver isso, fundações profundas são instaladas, penetrando através de camadas de solo fracas até que eles alcancem um solo mais estável e duro. Edifícios de arranha-céus são geralmente fundados em alguma forma de fundação empilhada sujeita a uma combinação de forças verticais, laterais e de derrubamento.

As pilares são relativamente longas e finas para transmitir cargas de fundação através de camadas de solo de baixa capacidade de rolamento para solos mais profundos ou rochas com uma maior capacidade de rolamento. Fundamentos de estacas funcionam através de dois mecanismos primários: rolamentos de extremidades e atritos de pele. Se as camadas superiores do solo são muito fracas ou altamente compressíveis para suportar as cargas transmitidas pela superestrutura, pilhas são usadas para transferir essas cargas para uma camada mais forte de solo ou para uma rocha de leito. As pilhas que transmitem cargas em uma rocha de leito são chamadas pilhas de suporte de extremidade. Este tipo de pilha depende apenas da capacidade de carga do material subjacente na ponta da pilha.

Por outro lado, quando a rocha é muito profunda, as pilhas podem transmitir as cargas através do solo circundante gradualmente por atrito. Este tipo de pilha é chamado de pilha de atrito. A escolha entre esses mecanismos depende do perfil específico do solo e das exigências estruturais do projeto.

Pilhas Guiadas

As pilhas accionadas são pilhas pré-formadas, tipicamente feitas de aço, concreto ou madeira, que são martelada no chão usando equipamento de condução de pilhas. As pilhas accionadas criam distúrbios mínimos no local, atingem capacidade de carga imediata devido à compactação do solo e são rápidas de instalar. São altamente eficientes para projetos com requisitos de design repetitivos. No entanto, a condução pode causar ruído e vibração, que podem ser problemáticos em áreas urbanas ou sensíveis. Também pode ser desafiador em solos duros ou muito densos.

As pilhas acionadas são ideais para fundações em solos macios a médios densas, onde o deslocamento das estacas melhora a estabilidade do solo. São comumente utilizadas em grandes projetos de infraestrutura, como pontes e edifícios de arranha-céus. O processo de instalação envolve o uso de martelos de impacto ou equipamentos vibratórios para levar elementos pré-fabricados para o solo, o que compacta o solo circundante e pode aumentar sua capacidade de rolamento.

Piles entediadas (Shafts enrugados)

A fundação Bored Pile é outro tipo popular de fundação profunda usada em edifícios em solos duros ou rochosos. O processo começa por perfurar o solo até que uma camada capaz de suportar a carga do edifício seja alcançada. As fundações Caisson, também conhecidas como fundações de eixo perfurado, são usadas para edifícios com cargas pesadas ou em áreas com condições de solo desafiadoras. Caissons são grandes colunas cilíndricas de concreto que são perfuradas no solo para suportar o peso do edifício.

As pilhas entediadas oferecem várias vantagens para a construção de edifícios altos. Produzem vibrações e ruído mínimos em comparação com as pilhas acionadas, tornando-as adequadas para ambientes urbanos. O processo de perfuração permite a inspeção das condições do solo durante a instalação, e as dimensões das estacas podem ser ajustadas com base nas condições encontradas. As estacas perfuradas são usadas em edifícios de edifícios, pontes e outros projetos que exigem fundações profundas em solos desafiadores.

O processo de construção normalmente envolve a perfuração de um buraco à profundidade necessária, instalação de uma gaiola de reforço, e enchimento do buraco com concreto. A instalação é mais lenta do que pilhas acionadas, e a estabilidade do solo pode ser uma preocupação durante a escavação, especialmente em solos soltos ou arenosos.

Piles de Auger de Voo Contínuo (CFA)

As pilhas CFA são perfuradas e fundidas em uma operação contínua. Uma auger é usada para perfurar o solo, e o concreto é bombeado através do caule oco da auger como ele é retirado, formando uma pilha. Este método combina vantagens de pilhas acionadas e entediados, oferecendo vibrações e ruído reduzidos, mantendo velocidades de instalação relativamente rápidas. As pilhas CFA são particularmente eficazes em solos macios a médios e proporcionam excelente controle de qualidade durante a instalação.

Fundações do tapete (Raft)

As fundações de raft, também conhecidas como fundações de esteiras, são utilizadas para edifícios com cargas pesadas ou em áreas onde o solo é propenso a assentamento. As fundações de raft consistem em uma laje grossa de concreto que se estende sobre toda a pegada do edifício, distribuindo o peso uniformemente através do solo. Uma fundação de jangada, também conhecida como "fundação de tapete", é essencialmente uma laje contínua que se estende diretamente sobre o solo que se estende sobre toda a pegada do edifício, transferindo assim seus pesos e as cargas para o solo em uma distribuição mais uniforme.

Este tipo de fundação é comumente usado em edifícios de arranha-céus ou áreas com condições de solo pobres. Fundações de raft são menos propensos a assentamento do que outros tipos de fundações e proporcionam excelente estabilidade para edifícios comerciais. Fundações de esteira são particularmente adequadas quando a capacidade de suporte do solo é relativamente uniforme em toda a pegada do edifício e quando as cargas de construção são substanciais o suficiente para que as bases individuais cobririam uma grande porcentagem da área de construção.

As fundações de raft ou esteira são grandes, contínuas, retangulares ou circulares de concreto que carregam a carga de sua superestrutura e distribuí-la por toda a área abaixo de seu edifício. Este tipo de fundação é considerado uma das fundações mais rasas e ajuda a controlar o assentamento diferencial.

Fundações de Raft empilhadas

As fundações de jangadas podem ser usadas para grandes estruturas e em situações em que o solo é inadequado para evitar uma excessiva fixação. As fundações de jangadas estão se tornando cada vez mais populares para edifícios de arranha-céus. Este sistema composto combina os benefícios da distribuição de carga de uma fundação de esteira com as capacidades de transferência de carga profunda de fundações de estacas. A jangada fornece rigidez adicional e ajuda a distribuir cargas entre as pilhas, enquanto as pilhas reduzem os assentamentos totais e diferenciais.

Uma base de pilhas para estruturas de arranha-céus consiste frequentemente num grande número de pilhas. O desafio na concepção de um sistema de fundação de estacas é capturar os efeitos da interacção de grupo. É bem sabido que a liquidação devido a um grupo de pilhas para o nível de carga médio equivalente pode variar significativamente a partir de uma única liquidação de pilhas. Em sistemas de jangadas empilhadas, tanto a jangada como as pilhas contribuem para carregar as cargas estruturais, criando uma solução de fundação mais eficiente e econômica para muitas aplicações de arranha-céus.

Considerações Geotécnicas Críticas

A transferência de carga em uma estrutura alta pode influenciar o solo em uma profundidade maior e para suas estruturas adjacentes, portanto, uma investigação completa do terreno ou local deve ser concluída durante o projeto da fundação. A interação entre a estrutura e o solo de apoio deve ser avaliada de perto pelos engenheiros durante o processo de projeto.

Investigação e caracterização do solo

Será descrito um processo de concepção e verificação de três fases, e será salientada a importância de uma adequada caracterização e avaliação dos parâmetros geotécnicos do solo. A investigação geotécnica deverá incluir furos suficientes para caracterizar o perfil do solo em toda a pegada do edifício e para profundidades que serão influenciadas pelas cargas de fundação.

Os dados de projeto pré-fundação, tais como tipo de pilha, comprimento e tamanho, são pré-determinados com base em dados de relatório geotécnicos. Alguns dos parâmetros críticos necessários para o projeto e análise de fundações de estacas adicionais são os tipos de solo, peso unitário, resistência ao cisalhamento, módulo de reação subgrada e dados de águas subterrâneas. A investigação deve incluir tanto testes in situ (como testes de penetração padrão, testes de penetração de cone, e testes de medidor de pressão) e testes laboratoriais de amostras de solo para determinar propriedades de engenharia.

Capacidade de rolamento do solo

A determinação da capacidade de suporte do solo é fundamental para o projeto de fundações. Para fundações rasas ou fundações de esteiras, a capacidade de suporte depende dos parâmetros de resistência do solo, dimensões de fundação e profundidade de incorporação. Os engenheiros devem avaliar tanto a capacidade de rolamento final quanto a capacidade de rolamento permissível, aplicando fatores adequados de segurança baseados no nível de incerteza nos parâmetros do solo e nos métodos de controle de construção a serem empregados.

Para fundações profundas, os cálculos de capacidade de rolamento devem considerar tanto os componentes de atrito de rolamentos finais quanto os de eixo. A resistência total das estacas pode ser dividida em componentes da base e do eixo. Os métodos de cálculo variam dependendo se a pilha é fundada em solos coesos (fios) ou sem coesão (areia), com diferentes abordagens analíticas necessárias para cada tipo de solo.

Considerações sobre a água subterrânea

Se o nível de água subterrânea é elevado, a pressão sobre o solo aumenta, reduzindo a sua capacidade de rolamento. Portanto, a fundação deve ser projetada para suportar a pressão da água. Altos níveis de água subterrânea podem afetar significativamente o projeto de fundação de várias maneiras. O efeito flutuante das águas subterrâneas reduz as tensões efetivas no solo, o que diminui a capacidade de rolamento e aumenta o potencial de assentamento. Água subterrânea também pode criar forças de elevação em estruturas e fundações de porão.

A drenagem pode ser necessária durante a construção, mas soluções de desaguamento a longo prazo devem ser cuidadosamente avaliadas para o seu impacto nas estruturas adjacentes e no ambiente. Em áreas com níveis elevados de água subterrânea, fundações de estacas com sapatos de concreto são frequentemente usadas para evitar a erosão do solo em torno das estacas.

Análise de liquidação

A análise de liquidação é fundamental para edifícios de edifícios de edifícios altos, onde até mesmo pequenas povoações diferenciais podem causar um sofrimento estrutural significativo. Os engenheiros devem avaliar tanto a liquidação imediata (elástica) como a consolidação de longo prazo. Além de sua capacidade de transmitir cargas de fundação para camadas subjacentes pilhas também são amplamente utilizados como um meio de controle de liquidação e liquidação diferencial.

A liquidação total deve ser limitada a valores aceitáveis com base no sistema estrutural do edifício e acabamentos arquitetônicos. Mais importante, a liquidação diferencial entre as diferentes partes da fundação deve ser controlada para evitar danos estruturais. As estacas mais profundas foram especificadas abaixo da área central do núcleo com base nas cargas verticais mais elevadas no centro do edifício em comparação com o exterior. As estacas mais longas servem para reduzir o efeito de liquidação "descansamento" devido à maior tensão unitária no solo subjacente diretamente abaixo do núcleo.

Considerações sobre Carga Lateral

Os sistemas estruturais de edifícios altos devem transportar cargas de gravidade vertical, mas cargas laterais, como as devidas ao vento e terremotos, também são uma grande consideração. As cargas laterais criam desafios únicos para o projeto de fundação que deve ser cuidadosamente abordado.

Efeitos de carregamento de vento

As forças de vento em edifícios de arranha-céus aumentam com a altura e podem criar cargas laterais substanciais e momentos de sobreposição no nível da fundação. As forças de vento também aumentam com a altura de construção para um valor constante ou gradiente, à medida que o efeito do atrito no solo diminui. A fundação deve ser projetada para resistir a essas forças laterais através de uma combinação de pressão passiva do solo, atrito entre a fundação e o solo, e a capacidade estrutural dos elementos de fundação.

O efeito das forças do vento em edifícios altos é duplo. Um edifício alto pode ser pensado como um feixe de cantilever com sua extremidade fixa no chão; a pressão do vento sobre o edifício faz com que ele se dobre com a deflexão máxima no topo. A fundação deve fornecer fixabilidade adequada para resistir a esses momentos de derrubamento, limitando rotações que podem causar excessiva deriva de construção.

As cargas laterais induzidas pelo vento e os momentos são cíclicos na natureza. Assim, é preciso considerar a influência da carga cíclica vertical e lateral no sistema de fundação, pois a carga cíclica tem o potencial de degradar a capacidade de fundação e causar o aumento de assentamentos.

Considerações sobre o Design Sísmico

Em regiões sismicamente ativas, as forças do terremoto podem governar o projeto da fundação. Terremoto ou forças sísmicas, ao contrário das forças do vento, geralmente são limitadas a áreas relativamente pequenas, principalmente ao longo das bordas das placas continentais lentamente em movimento que formam a crosta terrestre. Quando movimentos bruscos das bordas dessas placas ocorrem, a energia liberada propaga ondas através da crosta; este movimento de onda da Terra é transmitido a edifícios que repousam sobre ela.

A concepção sísmica das fundações deve considerar vários factores, incluindo o potencial de liquefação do solo, os efeitos da interacção solo-estrutura e a resposta dinâmica do sistema de estrutura da fundação. Os efeitos potenciais de terramoto na fundação, incluindo a resposta do sistema de estrutura-fundação às excitações sísmicas e as probabilidades de liquefação no solo circundante ou de apoio à fundação. As fundações em solos liquefáveis podem exigir medidas especiais, tais como a melhoria do solo, fundações profundas que se estendem abaixo de camadas liquefáveis, ou sistemas estruturais concebidos para acomodar grandes deformações do solo.

As pilares são uma base mais adequada para estruturas submetidas a forças horizontais. As pilares podem resistir às ações horizontais através da flexão, enquanto são capazes de transmitir forças verticais da superestrutura. Esta é uma situação típica para projetar estruturas de terra-terreno e estruturas altas sujeitas a ventos elevados ou forças sísmicas.

Processo de Desenho e Metodologia da Fundação

O projeto de fundação de construção alta precisa capturar o impacto total da estrutura, tanto acima como abaixo do solo. Esses tipos de fundação são complexos e geralmente requerem mais esforço de engenharia estrutural do que outros sistemas de fundação convencionais encontrados em estruturas de baixo/meio-arredo. Também é comum na prática para fazer o projeto de fundação um esforço mais colaborativo com o engenheiro geotécnico.

Determinação e Análise da Carga

O primeiro passo no projeto da fundação envolve a determinação de todas as cargas que serão transmitidas à fundação, incluindo cargas mortas da estrutura do edifício e fixações permanentes, cargas vivas da ocupação e uso, cargas eólicas, cargas sísmicas e quaisquer cargas especiais, como equipamentos ou armazenamento. As combinações de carga devem ser avaliadas de acordo com os códigos de construção aplicáveis para determinar os casos críticos de projeto.

Para edifícios de arranha-céus, a distribuição de cargas raramente é uniforme em toda a fundação. Áreas principais normalmente carregam cargas muito maiores do que áreas de perímetro. As pilhas mais profundas foram especificadas abaixo da área central do núcleo com base nas cargas verticais mais elevadas no centro do edifício em comparação com o exterior. As pilhas mais longas servem para reduzir o efeito de liquidação "descobrimento" devido ao maior estresse unitário sobre o solo subjacente diretamente abaixo do núcleo. O projeto da fundação deve ser responsável por essas variações de carga para controlar os assentamentos diferenciais.

Análise estrutural e modelagem

O desenho e análise de fundações profundas, como as estacas, é de alguma forma uma forma de arte por causa de todas as incertezas envolvidas na interpretação de dados geotécnicos. Embora tenha sido realizada uma abordagem teórica e experimental para analisar o comportamento e estimar a capacidade de carga de estacas em vários tipos de solo, mas ainda temos muito a entender sobre o mecanismo de fundação de estacas. Felizmente, com o avanço na engenharia estrutural, há vários softwares que podemos usar para minimizar essas incertezas e reduzir o tempo de cálculo.

O design moderno de fundações baseia-se fortemente em softwares de análise sofisticados que podem modelar a interação solo-estrutura, calcular distribuições de carga e avaliar o desempenho da fundação em várias condições de carga. O software de projeto de estacas de fundação pode realizar análises axiais e laterais de qualquer tipo de pilha. Os programas podem calcular a resistência do eixo de pilha e a capacidade de suporte das estacas, levando em consideração o método de instalação da pilha. Além disso, o software pode fazer análise lateral de estacas, calculando os deslocamentos das estacas, momentos e diagramas de cisalhamento para qualquer combinação de carga aplicada na cabeça da pilha.

A análise tridimensional de elementos finitos é cada vez mais utilizada para sistemas de fundação complexos, o que permite aos engenheiros modelar a interação entre a fundação, o solo e a superestrutura com maior precisão, considerando fatores como não linearidade do solo, efeitos da sequência de construção e comportamento dependente do tempo.

Concepção de fatores de verificação e segurança

Os projetos da Fundação devem incorporar fatores de segurança adequados para atender às incertezas nas propriedades do solo, condições de carregamento e qualidade da construção. Embora a gama de fatores de análise estática de segurança no passado tenha sido de 2 a 4, a maioria dos métodos de análise estática recomendou um fator de segurança de 3. À medida que as cargas de projeto de fundações aumentaram ao longo do tempo, o uso de fatores de segurança mais elevados muitas vezes resultou em problemas de instalação de estacas.Além disso, a experiência mostrou que os métodos de controle de construção têm uma influência significativa na capacidade de estacas. Portanto, o fator de segurança utilizado em um cálculo de análise estática deve ser baseado no método de controle de construção especificado.

A verificação do projecto deve incluir verificações dos estados limite finais (fracasso da capacidade de rolamento, falha estrutural dos elementos de fundação) e dos estados limite de capacidade de manutenção (excesso de liquidação, vibrações inaceitáveis).

Cálculos de Desenho da Fundação

Os cálculos detalhados formam o núcleo do projeto de engenharia de fundação. Os procedimentos de cálculo específicos variam dependendo do tipo de fundação e condições do solo, mas vários elementos comuns se aplicam à maioria dos projetos de fundação de arranha-céus.

Cálculos da Capacidade do Pile

Para as fundações de estacas, a capacidade final deve ser calculada considerando tanto o rolamento final como o atrito do eixo. A capacidade total da fundação de estacas de suporte final pode ser calculada multiplicando a área da ponta da pilha e a capacidade de suporte na profundidade específica do solo em que a pilha repousa. Considerando um fator razoável de segurança, o diâmetro da pilha é calculado.

O cálculo do atrito do eixo depende do tipo de solo. Para as estacas em solos de argila, o método alfa é comumente utilizado, o que relaciona o atrito do eixo com a resistência de cisalhamento não drenada da argila. Para as estacas em areia, o método beta relaciona o atrito do eixo com a pressão de sobrecarga efetiva e um coeficiente de atrito. Tanto o esforço total quanto os métodos de análise eficazes de tensão são usados para estimar a resistência lateral para argilas saturadas. Aqui consideramos apenas o método de tensão total ou α.

Os efeitos do grupo de pilha devem ser considerados quando são utilizadas várias pilhas. A carga final que um grupo pode suportar pode não ser a mesma que a carga máxima que cada pilha pode carregar dentro do grupo. Portanto, a eficiência do grupo de pilha deve ser levada em consideração. Fatores de eficiência do grupo são responsáveis pela interação entre pilhas de espaço próximo, o que pode reduzir a capacidade global em comparação com a soma das capacidades individuais das pilhas.

Cálculos de Desenho da Fundação Mat

O projeto da fundação do colchão requer o cálculo das pressões de rolamento do solo sob várias combinações de carga, garantindo que a pressão máxima do rolamento não exceda a capacidade de rolamento do solo admissível. O tapete deve ser analisado como um elemento estrutural, com cálculos para momentos de flexão, forças de cisalhamento e cisalhamento em locais de coluna.

A análise da interação solo-estrutura é particularmente importante para as fundações do tapete. A flexibilidade do tapete em relação ao solo afeta a distribuição das pressões de contato. Tapetes rígidos tendem a produzir pressões mais elevadas nas bordas, enquanto esteiras flexíveis podem experimentar pressões mais elevadas sob locais de colunas. Design moderno normalmente usa análise de elementos finitos para modelar o tapete como uma placa sobre a fundação elástica, capturando esses efeitos de interação.

Desenho de Reforço

O projeto estrutural dos elementos de fundação requer cálculos detalhados de armadura. O reforço é projetado para a seção desde o nível de corte até a profundidade de fixação considerando tensão com flexão, compressão com flexão e flexão apenas. Para a seção abaixo da profundidade de fixação, o reforço é projetado considerando compressão vertical e tensão. As ligações laterais com diâmetro de 8 mm são especificadas em 200 mm de centros.

Para as estacas e as fundações do tapete, o reforço deve ser projetado para resistir a momentos de flexão e forças de cisalhamento calculadas a partir da análise estrutural. Os requisitos mínimos de armadura especificados pelos códigos de projeto devem ser cumpridos, e o detalhamento deve garantir a fixação, comprimento de desenvolvimento e construcibilidade adequados. Deve ser dada especial atenção às áreas de concentração de tensão, como em torno de locais de coluna e em mudanças na espessura da fundação.

Análise de Carga Lateral

Para a maioria das fundações as cargas aplicadas às estacas são principalmente verticais. As cargas horizontais decorrentes de cargas de vento sobre as estruturas são geralmente relativamente pequenas e são ignoradas. No entanto, para pilhas em molhes, fundações para cais de ponte, chaminés altas e fundações empilhadas offshore, a resistência lateral é uma consideração importante.

Para edifícios de arranha-céus, é essencial a análise lateral das estacas. Métodos como o modelo de abordagem da curva p-y a resistência não linear do solo ao longo do comprimento da pilha, permitindo o cálculo de deflexões das estacas, momentos fletores e forças de cisalhamento sob carregamento lateral. A análise deve considerar as condições de fixação da cabeça da pilha, que dependem dos detalhes de conexão entre a estaca e o bloco ou a fundação do tapete.

Considerações sobre a construção e controle de qualidade

A escolha do tipo de pilha é influenciada pelas condições de subsuperfície, localização e topografia do local, e características estruturais e geométricas da estrutura a ser apoiada. O designer de uma fundação profunda deve possuir uma variedade de habilidades, muita experiência e considerável conhecimento de ciências de engenharia. A metodologia de construção impacta significativamente o desempenho da fundação e deve ser cuidadosamente considerada durante o projeto.

Sequenciamento de Construção

A sequência de construção da fundação pode afetar o desempenho da fundação completada. Para fundações empilhadas, a sequência de instalação pode influenciar a capacidade de pilha através de efeitos em pilhas adjacentes e condições do solo. Pilhas de condução em grupos podem causar heave ou densificação do solo circundante, afetando pilhas instaladas anteriormente. Para estacas entediadas, manter a estabilidade do buraco durante a construção é fundamental, particularmente em solos soltos ou saturados.

Escavação para níveis de cave deve ser cuidadosamente planejada e executada. Escavações profundas podem causar movimentos de terra que afetam estruturas adjacentes e podem alterar as condições de estresse no solo que sustenta a fundação. Sistemas adequados de escoramento e desaguamento devem ser projetados e implementados para manter a estabilidade durante a construção.

Garantia de Qualidade e Testes

Programas abrangentes de controle de qualidade são essenciais para a construção de fundações de arranha-céus. Para fundações de estacas, isso normalmente inclui testes de carga de pilha para verificar os pressupostos de projeto e qualidade de construção. Testes de carga estática fornecem a verificação mais confiável da capacidade de pilha, embora eles sejam caros e demorados. Testes dinâmicos usando analisadores de movimentação de estacas oferece uma alternativa mais econômica para pilhas acionadas, fornecendo avaliação em tempo real da capacidade de pilha e integridade durante a instalação.

Testes de integridade de eixos perfurados e estacas entediadas são fundamentais para garantir a qualidade. Métodos como registro sônico de furos cruzados, perfilamento de integridade térmica e teste de integridade de baixa tensão podem detectar defeitos como decote, inclusões de solo ou má qualidade do concreto. Esses ensaios devem ser realizados em uma amostra representativa de estacas, com testes adicionais se defeitos forem detectados.

Para as fundações de esteiras, o controle de qualidade do concreto é fundamental. Para confirmar a eficácia do desenho do mix e dos métodos de isolamento, foi construído um cubo de teste de esteiras de 3,5 metros e instrumentado com termopares para medir o ganho de calor diferencial entre as superfícies central e extrema do tapete antes da construção real do tapete. As temperaturas medidas para o cubo de ensaio, bem como as temperaturas medidas dentro do tapete de torre no local foram inferiores aos limites prescritos para o ganho térmico global e diferencial.

Acompanhamento e instrumentação

Os programas de instrumentação e monitoramento fornecem dados valiosos sobre o desempenho das fundações durante e após a construção. Os pontos de monitoramento de assentamento devem ser instalados para rastrear os movimentos verticais da fundação e superestrutura. Os inclinômetros podem monitorar movimentos laterais, particularmente importantes perto de escavações ou em áreas com possíveis problemas de estabilidade de declive.

Os piezômetros monitoram as pressões das águas subterrâneas, o que é fundamental para avaliar a eficácia dos sistemas de desaguamento e avaliar os efeitos a longo prazo das águas subterrâneas sobre a fundação. As células de carga podem ser instaladas em pilhas selecionadas para medir a distribuição real de carga, verificar os pressupostos de projeto e fornecer dados para projetos futuros.

Considerações especiais para condições específicas do solo

Diferentes condições do solo apresentam desafios únicos que requerem abordagens de projeto e técnicas de construção especializadas.

Solos de argila suaves

Solos de argila macia apresentam desafios significativos para fundações de arranha-céus devido à sua baixa capacidade de rolamento e alta compressibilidade. Fundações flutuantes são um sistema de fundação especializado para edifícios construídos em solos macios, como turfa ou argila macia. Esta fundação trabalha distribuindo a carga do edifício sobre uma área maior, reduzindo a pressão sobre o solo. Este projeto permite que o edifício "flutue" em solo macio sem experimentar um assentamento significativo.

Em depósitos de argila macia, a consolidação pode continuar por muitos anos após a construção. Fundamentos profundos que se estendem através de camadas de argila macia para estratos mais firmes são tipicamente necessários para edifícios de arranha-céus. Se a rolamento final em estratos firmes não é economicamente viável, pilhas de atrito em argila pode ser usado, embora a atenção cuidadosa deve ser dada ao assentamento de longo prazo e os efeitos de atrito negativo da pele como o solo circundante consolida.

Solos expansivos

Solos expansivos, que incham quando molhados e encolhem quando secos, podem causar movimentos significativos de fundação. Para edifícios de arranha-céus em solos expansivos, fundações profundas que se estendem abaixo da zona ativa de variação de umidade são normalmente necessárias. O design deve considerar forças de elevação da expansão do solo e potenciais forças de descamação da redução do solo. Detalhes especiais, como espaços vazios em torno de estacas na zona de solo superior podem ser fornecidos para acomodar movimentos de solo sem transferir cargas para a fundação.

Solos liquefáveis

Em áreas sismicamente ativas, solos saturados soltos podem ser suscetíveis à liquefação durante terremotos. Liquefação causa perda dramática de resistência e rigidez do solo, potencialmente levando a grandes assentamentos ou mesmo falha de capacidade de rolamento. Projeto de fundação em solos liquefáveis requer consideração especial, incluindo técnicas de melhoria do solo para densificar ou fortalecer o solo, fundações profundas estendendo-se através de camadas liquefáveis para estratos de rolamento não liquefáveis, ou sistemas estruturais projetados para acomodar grandes deformações do solo.

Fundações Rock

Quando a rocha competente está presente em profundidades rasas a moderadas, pode fornecer excelente suporte de fundação para edifícios de arranha-céus. As fundações de edifícios de arranha-céus suportam cargas muito pesadas, mas os sistemas desenvolvidos para edifícios de arranha-céus baixos são usados, embora aumentados em escala. Estes incluem colunas de concreto caisson que suportam rocha ou que constroem sobre rocha exposta em si. Fundações de rocha requerem investigação cuidadosa para caracterizar a qualidade da rocha, identificar descontinuidades, tais como articulações e fraturas, e avaliar o potencial de intemperismo ou deterioração.

As profundidades de soquete em rocha devem ser suficientes para desenvolver capacidade de rolamento adequada e fornecer fixabilidade para cargas laterais. As tomadas de rocha para eixos perfurados normalmente estendem pelo menos um diâmetro em rocha competente, embora possam ser necessárias maiores profundidades dependendo da qualidade da rocha e condições de carga.

Considerações econômicas e otimização

Os custos da fundação representam uma parte significativa dos custos totais de construção para edifícios de edifícios de alta altitude. Otimizar o projeto da fundação para alcançar o desempenho necessário ao custo mínimo requer uma avaliação cuidadosa das alternativas e consideração dos custos de construção iniciais e de longo prazo.

Selecção do Tipo de Fundação

As perguntas que devem ser respondidas na decisão entre pilhas motrizes e outros sistemas de fundação profunda centralizar-se-ão nos custos relativos dos sistemas disponíveis e possíveis. O custo de suporte da fundação pode ser convenientemente calculado com base em um custo por unidade de carga transportada. Além disso, deve-se considerar a construcibilidade.

A seleção entre diferentes tipos de fundações deve considerar não só os custos de material e instalação, mas também fatores como tempo de construção, disponibilidade de equipamentos, restrições de acesso ao local e potenciais impactos sobre estruturas adjacentes.Em ambientes urbanos, as restrições de ruído e vibração podem favorecer pilhas entediadas sobre pilhas movidas, apesar de custos mais elevados.Em locais remotos com acesso limitado, pilhas acionadas podem ser preferidas devido a requisitos de equipamentos mais simples.

Otimização de projeto

Dentro de um tipo de fundação selecionado, existem inúmeras oportunidades de otimização.Para fundações de estacas, a otimização pode envolver ajustar o diâmetro, comprimento, espaçamento e configuração da pilha para minimizar o custo total, ao atender aos requisitos de desempenho.O número, posição, reforço e comprimento das estacas são determinados durante o processo de projeto para garantir a estabilidade da estrutura e fornecer uma solução econômica.

Para as fundações de esteira, a otimização envolve a determinação da espessura ideal do tapete, que equilibra os custos de concreto e armadura com as exigências estruturais. A espessura variada do tapete em toda a fundação, com maior espessura em áreas altamente carregadas, pode fornecer uma solução econômica mantendo uma capacidade estrutural adequada.

Estudos de engenharia de valor realizados durante o desenvolvimento de design podem identificar oportunidades de economia de custos sem comprometer o desempenho. Esses estudos devem envolver colaboração entre engenheiros estruturais, engenheiros geotécnicos e empreiteiros para aproveitar sua experiência e experiência combinadas.

Estudos de Caso e Aplicações Práticas

Examinar aplicações do mundo real de design de fundação de arranha-céus oferece informações valiosas sobre desafios e soluções práticas.

Sistema de Fundação Burj Khalifa

A 828 metros, Burj Khalifa é o edifício mais alto do mundo, eclipsando a altura do seu par mais próximo em quase 40% (320 metros). Concluído em 2010, ele supera as três categorias de altura definidas pelo Conselho em Edifícios Altos e Habitat Urbano. O Burj Khalifa é principalmente um edifício de concreto armado. O sistema estrutural da torre consiste em construção de concreto armado desde a fundação até o Nível 156; acima o Nível 156 é predominantemente o pico, consistindo de um sistema estrutural de estrutura de aço armado. O sistema estrutural da torre é descrito como um "coração de buttressed", que consiste em construção de parede de concreto de alto desempenho.

O sistema de fundação para esta estrutura icônica demonstra a aplicação de princípios avançados de engenharia de fundação para suportar cargas extremas. O projeto exigiu uma investigação geotécnica extensa, métodos de análise sofisticados e um cuidadoso controle de qualidade de construção para garantir que a fundação pudesse suportar com segurança as cargas maciças de superestrutura.

Aplicações de Raft em Empilhado

O layout do plano mostra as pilhas e a fundação do tapete abaixo da torre. Cada pilha tem uma capacidade de carga de 670 ou 730 toneladas métricas dependendo do seu comprimento no rolamento final combinado e atrito do eixo. As pilhas mais profundas foram especificadas abaixo da área central do núcleo com base nas cargas verticais mais elevadas no centro do edifício em comparação com o exterior. Este exemplo ilustra como os sistemas de jangadas empilhadas podem ser otimizados, variando os comprimentos e capacidades das pilhas para corresponder à distribuição de carga da superestrutura.

Software de Design e Ferramentas Computacionais

O design moderno de fundação depende fortemente de ferramentas de software especializadas que permitem aos engenheiros realizar análises complexas de forma eficiente e precisa.

Software de Análise da Fundação

Com o software de projeto de fundação, os engenheiros podem enfrentar todos os grandes desafios do projeto de fundação profunda em um só lugar, tornando o fluxo de trabalho mais rápido e eficiente. O software pode calcular com precisão a capacidade geotécnica axial para qualquer tipo de pilha. O software de projeto de fundação implementou vários códigos estruturais usados em todo o mundo. O software faz todos os cálculos de acordo com o padrão selecionado e calcula as capacidades de momento da pilha e cisalhamento.

Essas ferramentas integram análise geotécnica, projeto estrutural e verificação de conformidade de código em uma plataforma unificada. Elas podem modelar perfis complexos de solo, calcular capacidades de pilha usando vários métodos, realizar análise de carga lateral e reforçar o projeto de acordo com os códigos aplicáveis. A capacidade de avaliar rapidamente múltiplas alternativas de projeto facilita a otimização e ajuda os engenheiros a identificar a solução mais econômica.

Análise de elementos finitos

A análise tridimensional de elementos finitos tornou-se cada vez mais importante para sistemas de fundação complexos. Essas ferramentas podem modelar a interação solo-estrutura com alta fidelidade, capturando o comportamento não linear do solo, efeitos da sequência de construção e a interação entre elementos de fundação. Embora mais computacionalmente intensiva do que métodos simplificados, a análise de elementos finitos fornece insights que são difíceis ou impossíveis de obter através de abordagens de análise convencionais.

Tendências e Inovações futuras

A engenharia da fundação continua evoluindo com novas tecnologias, materiais e métodos que prometem melhorar o desempenho e a economia.

Materiais Avançados

O concreto de alto desempenho com resistências à compressão superiores a 100 MPa é cada vez mais utilizado em elementos de fundação, permitindo cortes menores e quantidades reduzidas de material. O concreto reforçado com fibra pode melhorar a durabilidade e reduzir o cracking. Materiais compostos, como pilhas de polímero reforçadas com fibras, oferecem vantagens em ambientes corrosivos ou onde altas razões resistência ao peso são benéficas.

Técnicas de melhoria do solo

Métodos avançados de melhoria do solo podem transformar condições de solo pobres em suporte de fundação aceitável. Técnicas como mistura profunda de solo, jacto de gruting e compactação dinâmica podem fortalecer solos fracos, reduzir o potencial de assentamento e mitigar o risco de liquefação. Estes métodos podem fornecer alternativas econômicas para fundações profundas em algumas situações.

Design baseado no desempenho

As abordagens de design baseadas em desempenho estão ganhando aceitação na engenharia de fundação.Em vez de requisitos de código prescritivos, esses métodos focam em alcançar objetivos de desempenho específicos sob vários cenários de carregamento.Essa abordagem permite projetos mais racionais que podem ser otimizados para as condições e requisitos específicos de cada projeto.

Considerações sobre Sustentabilidade

A sustentabilidade está se tornando cada vez mais importante no projeto de fundações, o que inclui minimizar o consumo de materiais por meio da otimização, utilizando materiais reciclados ou com baixo carbono, sempre que possível, e considerando o impacto ambiental de todo o ciclo de vida dos sistemas de fundações.

Procedimento de Desenho Passo a Passo

Uma abordagem sistemática para o design de fundações de arranha-céus assegura que todos os aspectos críticos sejam devidamente abordados.O seguinte procedimento fornece uma estrutura para o projeto de fundações:

1. Definição e Requisitos do Projeto: Estabelecer geometria de construção, sistema estrutural, condições de carga e requisitos de desempenho.Identifique códigos e normas aplicáveis.
2. Investigação do Site: Realizar uma investigação geotécnica abrangente, incluindo brocas, testes in situ e testes laboratoriais. Caracterizar a estratigrafia do solo, propriedades de engenharia e condições de águas subterrâneas.
3. Seleção preliminar da Fundação: Avaliar alternativas de fundação considerando condições do solo, cargas estruturais, restrições de local e fatores econômicos. Selecione o tipo de fundação mais promissor para o projeto detalhado.
4. Análise de Carga: Determinar todas as cargas que atuam na fundação, incluindo cargas mortas, cargas vivas, cargas eólicas, cargas sísmicas e cargas especiais. Desenvolver combinações de carga por códigos aplicáveis.
5. Design Geotécnico: Calcular a capacidade do rolamento, a resolução e a resistência lateral. Determinar as dimensões de fundação necessárias, comprimentos e capacidades das estacas, ou espessura e reforço do tapete.
6. Desenho estrutural : Realizar análise estrutural dos elementos de fundação. Concepção de armadura para flexão, cisalhamento e punção. Verificar todos os estados-limite aplicáveis.
7. Verificação do design: Verifique se o projeto cumpre todos os requisitos de desempenho com fatores adequados de segurança. Verifique se há construbilidade e identifique potenciais desafios de construção.
8. Otimização: Avaliar oportunidades de redução de custos mantendo o desempenho necessário. Considere configurações alternativas, materiais ou métodos de construção.
9. Documentação de construção : Prepare desenhos detalhados e especificações. Inclua requisitos de controle de qualidade, programas de teste e critérios de aceitação.
10. Suporte à construção: Fornecer suporte de engenharia durante a construção, incluindo revisão de submissões, observação de construção e avaliação dos resultados dos testes.

Desafios e soluções comuns de design

Os engenheiros da Fundação frequentemente enfrentam desafios que requerem soluções criativas e julgamento de engenharia.

Condições Variáveis do Solo

As condições do solo variam significativamente em um local de construção. Essa variabilidade pode levar a assentamentos diferenciais se não forem adequadamente abordados. As soluções incluem profundidades de fundação ou comprimentos de estacas variáveis para atingir estratos de rolamento consistentes, usando a melhoria do solo para homogeneizar as propriedades do solo, ou projetar a superestrutura para acomodar movimentos diferenciais antecipados.

Impactos da estrutura adjacente

Em ambientes urbanos, a construção de fundações pode afetar estruturas adjacentes através de movimentos de solo, vibrações ou mudanças nas condições das águas subterrâneas. O planejamento cuidadoso de sistemas de apoio à escavação, seleção de métodos de construção de baixa vibração e monitoramento de estruturas adjacentes podem atenuar esses riscos. Em alguns casos, a sustentação de estruturas adjacentes pode ser necessária antes da construção de fundações começar.

Problemas de construcibilidade

Os projetos que ficam bem no papel podem ser difíceis ou impossíveis de construir. Questões comuns de construccionalidade incluem desobstruções inadequadas para equipamentos de construção, congestionamento de armaduras que impedem a colocação de concreto adequado e conflitos de sequenciamento entre diferentes atividades de construção.A participação precoce de empreiteiros em revisões de design pode identificar e resolver problemas de construcibilidade antes de impactar o cronograma do projeto e orçamento.

Requisitos de regulamentação e de código

O projeto da Fundação deve cumprir os códigos e normas de construção aplicáveis, que variam de acordo com a jurisdição. O Código Internacional de Construção (IBC), o ASCE 7 para cargas e o ACI 318 para o projeto de concreto são comumente utilizados nos Estados Unidos. Outros países têm seus próprios códigos, como Eurocódigos na Europa, Normas Britânicas no Reino Unido e vários códigos nacionais em outros lugares.

As normas de design geotécnico fornecem orientações sobre métodos de investigação, procedimentos de análise e critérios de design. Estes incluem as normas AASHTO para estruturas de transporte, manuais FHWA para fundações profundas e vários padrões industriais de organizações como a ASTM International e o Deep Foundations Institute.

Os requisitos de autorização variam de acordo com a jurisdição, mas normalmente exigem a apresentação de cálculos de projeto, desenhos e relatórios geotécnicos para revisão e aprovação por funcionários da construção. Podem ser necessárias licenças especiais para atividades como desaguamento, condução de pilhas em áreas sensíveis ao ruído, ou trabalho que afetem os direitos de passagem do público.

Gestão de Riscos e Planejamento de Contingências

A construção da Fundação envolve incertezas e riscos inerentes que devem ser identificados e geridos, incluindo a identificação de riscos potenciais, a avaliação de suas probabilidades e consequências, o desenvolvimento de estratégias de mitigação e o estabelecimento de planos de contingência.

Os riscos comuns incluem encontrar condições inesperadas do solo, problemas de águas subterrâneas, obstruções como pedras ou estruturas enterradas e defeitos de construção. Planos de contingência devem ser desenvolvidos para cenários prováveis, incluindo projetos de fundações alternativas que poderiam ser implementados se as condições diferem significativamente das assumidas no projeto original.

A investigação geotécnica adequada reduz a incerteza, mas não a pode eliminar inteiramente. O desenho deve incluir disposições para adaptação às condições de campo, tais como especificar uma gama de comprimentos de estaca aceitáveis em vez de um único comprimento fixo, ou incluir detalhes para as modificações de fundação que possam ser necessárias.

Conclusão

A criação de fundações para edifícios de edifícios altos requer integração de engenharia geotécnica, engenharia estrutural, tecnologia de construção e gestão de projetos. A escolha do tipo certo de fundação é um passo crítico na construção de um edifício alto forte e durável. Ao considerar fatores como tipo de solo, carga de construção e atividade sísmica, você pode selecionar o tipo de fundação mais adequado. Além disso, consultar especialistas em geotécnica e estrutural é altamente recomendado para obter as melhores recomendações de fundação para edifícios de edifícios de edifícios de edifícios altos.

O sucesso requer uma investigação minuciosa do local, uma análise cuidadosa utilizando métodos e ferramentas apropriados, atenção à construcibilidade e um controlo de qualidade abrangente durante a construção. A fundação deve apoiar com segurança todas as cargas previstas, limitando as liquidações a níveis aceitáveis, resistindo às forças laterais e aos momentos de inversão, e proporcionar uma durabilidade adequada para a vida útil pretendida do edifício.

À medida que os edifícios continuam a crescer e a construção se move para locais cada vez mais desafiadores, a engenharia de fundações continuará a evoluir. Novos materiais, métodos de construção e técnicas de análise expandirão as possibilidades de projeto de fundações. No entanto, os princípios fundamentais de compreensão do comportamento do solo, cálculo de cargas e capacidades, e garantirão fatores adequados de segurança permanecerão centrais para a engenharia de fundações bem sucedida.

Engenheiros que projetam fundações de alto nível devem combinar conhecimentos teóricos com experiência prática, exercendo julgamentos sólidos diante da incerteza. Colaboração entre engenheiros geotécnicos, engenheiros estruturais, empreiteiros e outros atores do projeto é essencial para desenvolver soluções de fundação que sejam seguras, econômicas e construíveis. Com planejamento, análise e execução adequados, os sistemas de fundação podem ser projetados e construídos para apoiar até mesmo os projetos de edifícios mais ambiciosos.

Recursos adicionais

Para engenheiros que procuram aprofundar o seu conhecimento sobre o design de fundações de alto nível, estão disponíveis numerosos recursos. Organizações profissionais como o Deep Foundations Institute (https://www.dfi.org, a Sociedade Americana de Engenheiros Civis (https://www.asce.org), e a Associação Internacional de Pontes e Engenharia Estrutural fornecem publicações técnicas, conferências e programas educacionais.As instituições acadêmicas oferecem cursos especializados e programas de pesquisa em engenharia geotécnica e de fundação.

As publicações e revistas técnicas da indústria apresentam regularmente estudos de caso e pesquisas sobre temas de engenharia de fundação. Manter-se atualizado com os desenvolvimentos na área através da educação continuada e desenvolvimento profissional é essencial para engenheiros que trabalham em projetos de fundação de alto nível. A complexidade e importância desses projetos exigem dos engenheiros responsáveis por sua concepção e construção os mais altos níveis de competência técnica e julgamento profissional.