Fundações indiretas: tipos, projeto e execução

Quando as camadas superficiais do solo não são adequadas para suportar as cargas da construção a ser realizada, é aconselhável transferir esses esforços para as camadas mais profundas, através das fundações indiretas.

Vamos ver quais tipos de fundações indiretas são geralmente utilizados e quais ferramentas de cálculo estrutural podem apoiar o projeto.

Fundações diretas e indiretas: o que muda

Por fundação entende-se a unidade tecnológica que atua como ligação estática entre o edifício e o solo e que tem a função de transmitir ao solo as cargas impostas à construção. Portanto, as estruturas em elevação, juntamente com as fundações e o solo, formam um único conjunto funcional.

Para projetar as fundações, são necessários dados que dizem respeito ao conjunto funcional completo e que incluem:

• as características do solo (obtidas a partir de um plano adequado de investigações geológicas, geofísicas e geotécnicas realizadas no local e de análises em laboratório);
• as cargas transmitidas pelo edifício ao solo (avaliadas com base no tipo de estrutura a ser construída);
• a morfologia da área de intervenção (identificada com levantamentos de campo realizados com diferentes técnicas de aquisição de dados);
• a profundidade do plano de assentamento das fundações.

Com base nesses dados, é importante que o projetista escolha o tipo de fundação, com base na morfologia (extensão da superfície de apoio, etc.), no comportamento estático e nas características do solo em que estão localizadas.

Macroscopicamente, as fundações podem ser classificadas em:

• diretas, quando transferem as cargas da construção para as camadas mais superficiais do solo (fundações de laje, de sapatas, etc.);
• indiretas, quando transferem os esforços para as camadas mais profundas do solo (fundações em estacas, micropilotes, etc.).

Por sua vez, essas categorias macro se dividem em subcategorias adicionais, com base em sua morfologia e no modo de transferência de cargas.

Configurações de fundações em sapatas

A seguir, aprofundamos os tipos e características relacionadas às fundações indiretas.

Para aprofundar as fundações diretas, leia este artigo Fundações diretas: tipos e métodos de projeto BIM.

O que são fundações indiretas?

As fundações indiretas, ou fundações profundas, são elementos estruturais utilizados para transferir a carga de uma estrutura de construção para o solo subjacente através de camadas de solo mais estáveis e capazes de suportar o peso. Este tipo de fundação é essencial quando o solo superficial é inadequado para suportar o peso da construção ou quando é necessário alcançar camadas mais compactas e resistentes.

Fundações em estacas

Tipos de fundações indiretas

As fundações indiretas podem ser divididas em diferentes tipos, incluindo:

• estacas cravadas ou de perfuração: elementos estruturais verticais alcançam a profundidade necessária por meio de cravação ou perfuração, com ou sem remoção de solo. São realizados com diferentes técnicas e tecnologias e em materiais diferentes, incluindo:
  • madeira, principalmente utilizada na construção histórica, geralmente com diâmetro em torno de 20 cm e comprimento máximo entre 8 e 10 metros;
  • concreto armado, com diâmetro geralmente de cerca de 30 cm, podendo atingir até 30 m de profundidade, garantindo resistência e durabilidade ao longo do tempo;
  • bentonita, material argiloso derivado da alteração de rochas ígneas vítreas. Em contato com a água, torna-se um gel impermeável e hidro-repelente, caracterizado por um aumento significativo de volume (15-20 vezes maior que o inicial) e por uma absorção que faz com que a massa atinja um peso 5 vezes superior ao de uma quantidade igual de material seco. Esses tipos de estacas são usados em solos particularmente incoerentes ou lençóis freáticos muito rasos;
    
  • Franki, o tubo metálico é caracterizado por uma ponta de concreto. Uma vez cravada no solo, a ponta de concreto formará a base da estaca, assentada na camada mais resistente do solo, na cota escolhida;
  • Simplex, composto por um tubo com ponta removível. O tubo metálico é cravado no solo e impede que o solo escavado seja invadido por detritos durante a concretagem. Após cravado no solo, a ponta é aberta para permitir a concretagem. Ao final da operação, o tubo é retirado;
    
  • Benoto, um tipo particular de estaca perfurada, caracterizado por diâmetros significativos (até 2 m), adequado para suportar cargas muito importantes (da ordem de várias toneladas).
• micropilares (ou estacas de pequeno diâmetro): semelhantes às estacas de fundação perfuradas, mas de dimensões reduzidas (geralmente com diâmetro entre 10 e 30 cm), os micropilares são usados quando o espaço é limitado ou quando é necessário um impacto menor no solo circundante, além de serem utilizados em intervenções de consolidação do solo e como elemento de fundação para estruturas elevadas. Podem atingir profundidades entre 2 e 50 m.

Tipos de fundações diretas e indiretas

Tecnologia executiva das fundações profundas

A realização das fundações profundas é um processo complexo que requer o uso de equipamentos especializados. Esse processo permite a criação de “colunas” de concreto armado dentro do solo, com a base localizada em profundidades significativas, nas camadas do solo com características mecânicas adequadas de resistência à carga. Graças a esse sistema, é possível transferir as forças de carga da superfície para as camadas mais profundas e geralmente mais resistentes do solo, permitindo a construção de fundações estáveis mesmo em solos com características mecânicas pobres. Existem várias técnicas para a realização de fundações profundas, incluindo estacas CFA (Continuos Flight Auger) ou helicoidais contínuas, estacas FDP (Full Displacement Pile), etc.

Aqui estão as principais fases envolvidas no processo de execução das fundações profundas:

• escavação de perfuração rotativa: a primeira fase consiste na escavação do solo usando uma perfuratriz hidráulica equipada com vários utensílios adequados ao tipo de solo. São utilizadas várias ferramentas, como a broca centrífuga para solos de baixa e média consistência ou solos soltos, as brocas helicoidais com diferentes tipos de dentes para atravessar camadas rochosas e as brocas com picos para enfrentar rochas ou solos mais duros;
• instalação da armadura: após remover o material residual das escavações de perfuração, procede-se à inserção de uma gaiola metálica pré-montada no furo, formada por barras longitudinais envoltas por uma espiral soldada. Essa gaiola metálica constitui a armadura da estaca, que aumenta a resistência estrutural e fornece suporte durante a concretagem;
• concretagem: a fase final envolve a concretagem dentro do furo de perfuração. O concreto, após os tempos técnicos para sua maturação, formará um corpo único com a armadura de aço previamente instalada. O concreto geralmente é despejado por meio de bombas apropriadas ou por caminhões betoneira e posteriormente compactado para eliminar bolhas de ar e garantir uma distribuição uniforme.

É importante lembrar que, dependendo do tipo de solo, da possível presença de lençol freático ou de necessidades executivas e projetuais específicas, existem duas principais tecnologias para a perfuração de estacas de pequeno diâmetro:

• rotativa ou roto-percussiva com circulação de fluido usada como meio para desagregar e transportar o material residual da escavação. Geralmente utilizada em solos coesivos e incoerentes sob lençol freático. O funcionamento envolve a rotação de um cinzel, colocado na base de uma bateria, que ao girar fragmenta o solo (por isso a técnica também é chamada de “perfuração por destruição do núcleo”). A circulação do fluido de perfuração (composto por lama bentonítica ou polímeros) bombeado para dentro do furo tem a função de resfriar e lubrificar o cinzel, remover os detritos e estabilizar as paredes do próprio furo durante as operações de perfuração. Os componentes do equipamento de perfuração devem ser dimensionados em relação à profundidade a ser alcançada, ao diâmetro da estaca a ser construída e ao tipo de solo a ser perfurado;
• roto-percussiva com martelo de fundo de furo e extração do material residual por ar comprimido sem o uso de fluidos de perfuração; geralmente utilizado em solos de natureza incoerente na ausência de lençol freático.

e duas modalidades de concretagem:

• em uma única concretagem de baixa pressão, através do tubo de armadura, obtendo um revestimento do elemento de aço suficientemente uniforme (diâmetros usuais de 13 a 30 cm);
• em múltiplas concretagens de alta pressão, por meio de válvulas de retenção, para aumentar o fluxo mesmo em solos de baixa qualidade (diâmetros usuais de 10 a 20 cm).

Micropilares autoperfurantes: o que são?

Os micropilares autoperfurantes representam uma solução inovadora no campo das fundações, oferecendo uma combinação de rapidez, eficiência e resistência. Esse tipo de micropilar é realizado pela inserção no solo por roto-percussão de uma barra de aço oca rosqueada, com uma ponta de perfuração descartável. Durante o processo, é utilizado um lodo de cimento como fluido de perfuração e lavagem.

O processo de realização dos micropilares autoperfurantes inclui:

• perfuração e inserção da barra: a perfuração começa com a inserção da barra no solo, com o auxílio de equipamentos especializados. A barra é projetada para interceptar a camada de solo resistente, garantindo uma base estável para a transferência da carga estrutural;
• criação do bulbo cimentício: durante a perfuração, forma-se em torno da barra um bulbo cimentício que atua como elemento de ancoragem, permitindo a transferência da carga para o solo circundante. Esse processo é fundamental para garantir a estabilidade e a resistência da fundação;
• proteção contra corrosão: a cimentação do bulbo não apenas garante a estabilidade estrutural, mas também protege a barra de aço contra a corrosão, prolongando sua vida útil e garantindo a segurança a longo prazo da estrutura.

O processo de realização ocorre em uma única fase, que inclui a perfuração, a inserção da barra e a cimentação. Isso torna a técnica particularmente rápida e eficiente, reduzindo os tempos de construção e os custos totais do projeto.

Ao contrário de outras técnicas, não é necessário remover o solo durante a perfuração, tornando os micropilares autoperfurantes ideais para locais onde a contaminação do solo e o descarte do solo seriam problemáticos e caros.

Essa técnica tem diversas aplicações, incluindo:

• consolidação ou integração de fundações e edifícios existentes ou de nova construção;
• consolidação de infraestruturas de diversos tipos;
• consolidação de encostas e pequenos deslizamentos de terra;
• consolidação de pavimentos industriais para permitir aumentos de capacidade de carga.

Além disso, a versatilidade dos micropilares autoperfurantes também permite a execução de estacas inclinadas para otimizar a transferência de cargas em profundidade ou perfurar uma fundação existente para consolidá-la ou integrá-la. Graças aos seus inúmeros benefícios e às várias aplicações possíveis, os micropilares autoperfurantes representam uma solução confiável e eficiente para os desafios geotécnicos e estruturais em vários contextos de construção e engenharia civil.

Ferramentas de projeto para fundações indiretas

Antes da fase de construção e execução de estacas e micropilares de fundação, é necessário enfrentar todos os desafios relacionados ao projeto.

O uso de um software BIM para cálculo estrutural oferece benefícios significativos no projeto de estacas de fundação e fundações indiretas, em geral. Em primeiro lugar, os softwares BIM permitem criar modelos digitais detalhados e precisos da estrutura do edifício e do solo circundante, integrando informações geométricas, estruturais e geotécnicas em um único modelo. Esse enfoque permite uma avaliação mais completa e precisa das condições do local e das necessidades estruturais, permitindo tomar decisões informadas durante o projeto das fundações.

Além disso, os softwares BIM oferecem ferramentas avançadas para análise estrutural e simulação do comportamento das estacas de fundação sob diferentes cargas e condições de carga. Essas ferramentas permitem avaliar a adequação das estacas projetadas para suportar a carga prevista e identificar áreas críticas ou sobrecarregadas. Além disso, a capacidade de realizar análises dinâmicas e simular o comportamento sísmico das estacas ajuda a melhorar a segurança e a estabilidade da estrutura em caso de eventos sísmicos.

Outra vantagem significativa do uso do software BIM para cálculo estrutural é a possibilidade de otimizar o design das estacas de fundação de acordo com as necessidades específicas do projeto. Os projetistas podem explorar uma ampla gama de soluções de fundação e avaliar rapidamente o impacto de diferentes opções no desempenho estrutural e nos custos. Isso permite identificar a solução ideal que maximiza a eficiência estrutural e minimiza os custos de construção.

Por fim, a integração dos modelos BIM com outros softwares e plataformas de gerenciamento BIM permite uma maior colaboração e coordenação entre os diferentes membros da equipe de projeto e as partes interessadas. Isso promove uma comunicação mais eficaz, reduz o risco de erros e conflitos durante a fase de construção e melhora a entrega geral do projeto.

Aqui está um vídeo que mostra como inserir estacas de fundação em um modelo BIM, usando um software de cálculo estrutural.