O que os engenheiros aprenderam com este desastre para o dimensionamento estrutural

Pontes

É a disciplina suprema entre os engenheiros civis. Há um provérbio que diz que "não adianta construir uma ponte para quem não quer chegar ao outro lado". Por vezes, podemos aplicar esta frase à engenharia civil. Ainda existem muitas pessoas que estão céticas em relação às pontes, seja pela altura ou pela incerteza de que algo possa acontecer.

Os acontecimentos do passado mostram que essas preocupações nem sempre são infundadas. Neste artigo, vamos apresentar uma ponte sobre a qual provavelmente todos os engenheiros civis já ouviram falar. Nos primeiros semestres, os professores habitualmente recorrem a este exemplo para salientar a importância da dinâmica. No caso da ponte Tacoma Narrows, até um leigo é capaz de ver que algo não estava certo.

História da ponte misteriosa

A baía de Pudget Sound está localizada no noroeste do estado de Washington, nos Estados Unidos. O caminho por terra é muito longo. Por esse motivo, está prevista para 1940 uma ponte, o que deverá encurtar o caminho. A cidade de Tacoma era a que reunia as melhores condições.

Para uma travessia destas, o vão desempenha um papel crucial. Esta é a distância entre os dois pilares da ponte. Os engenheiros pretendem encurtar este vão através da construção de dois pilares. Mesmo assim, será uma das maiores pontes suspensas da época. Apenas a ponte Golden Gate em São Francisco e a ponte George Washington em Nova Iorque são mais compridas.

01 Ponte Golden Gate em São Francisco

02 Ponte George Washington em Nova Iorque

O engenheiro russo Leon S. Moisseiff foi contratado para a realização deste projeto. Nos Estados Unidos, era um engenheiro de estruturas bastante conhecido e com uma reputação muito boa.

Um exemplo dos seus projetos é a maior ponte em arco de aço da cidade de Nova Iorque - a ponte de Bayonne.

03 Ponte Bayonne em Nova Iorque

Os engenheiros projetaram a ponte Tacoma Narrows para um volume de tráfego reduzido. Por isso, foram dimensionadas duas faixas de rodagem e dois passeios.

Como tipo de ponte, foi escolhida uma ponte suspensa clássica. É a rainha das pontes, porque permite vãos muito grandes. Esta estrutura é constituída por cinco elementos.

04 Esquema da ponte suspensa

Os pilares, também designados por torres, são o elemento estrutural saliente no qual os cabos estão ancorados. Suportam o peso da superestrutura. Os cabos transferem as forças para os postes e os blocos de ancoragem. Os ganchos estão ligados aos cabos de apoio e transferem as forças de tração resultantes do carregamento do tabuleiro da ponte. A superestrutura ou a viga do tabuleiro serve para reforçar a ponte. As extremidades dos cabos estão fixadas nos encontros para que as forças de tração possam ser absorvidas.

Em 1938, foram feitas pela primeira vez críticas às dimensões, ainda antes do início da construção. A largura da superestrutura não chega aos 12 metros. As vigas do tabuleiro da ponte são constituídas por vigas de alma cheia em aço com uma altura de aproximadamente 2,50 metros. Geralmente, os regulamentos em vigor estipulam que a rigidez adequada é obtida através da relação entre a largura e altura da viga e o comprimento estrutural. No entanto, o problema é que muitas vezes isso levou a resultados economicamente ineficientes. Por isso, alguns engenheiros civis questionaram esta abordagem. Um deles é Leon Mosseiff.

A ponte suspensa foi construída de forma clássica, como todas as outras pontes suspensas da época. A fundação das torres na água é um desafio. As fundações terão de ser realizadas através de caixotões nas profundidades de 54 e 68 metros abaixo da superfície da água. Na altura, eram os caixões mais profundos do mundo.

05 Caixão

As secções pré-fabricadas da viga estão montadas nas barras de suspensão verticais. Os engenheiros apercebem-se de que a estrutura não se comporta de acordo com as suas previsões quando a intensidade do vento aumenta. Por este motivo, são os trabalhadores da construção que devem realizar as primeiras medidas de renovação e amortecer as deformações da viga antes da abertura. Apesar destes problemas, a ponte ficará concluída no dia 01. Inaugurado em Julho de 1940.

O comportamento estranho da ponte já não pode ser ocultado do público, Não só se deslocam para o lado, como ocorrem movimentos ondulatórios fortes do convés longitudinalmente. A sociedade carinhosamente chama esse fenômeno de "Galloping Gertie".

Por isso, muitas pessoas evitam a ponte e continuam a utilizar o caminho terrestre mais longo. Mesmo assim, o vento faz da ponte uma atração turística. As pessoas vêm de longe para dar uma volta sobre a "ponte da montanha-russa".

Como primeiro passo para resolver o problema, são utilizados cabos inclinados para melhorar a situação. Hoje em dia não se compreende por que razão a ponte não foi encerrada de imediato.

Quatro meses após a inauguração, ocorre o trágico evento. Em Novembro de 1940 vento forte e tempestuoso com velocidades que podem atingir os 65 km/h. Em contraste com a situação habitual, existe também uma outra carga no topo desta força de vento - a torção. Começam a notar-se fortes torções e voltas horizontais.

06 Torção

A amplitude aumenta para até doze vibrações por minuto. Além disso, ocorre uma inclinação transversal com deslocamentos iniciais de quase 45 graus.

Isso faz com que as barras de suspensão verticais se soltem. A secção maior da viga colapsa. Felizmente, ninguém ficou ferido.

O que aconteceu após este desastre?

O colapso da ponte Tacoma Narrows é trágico e provavelmente nunca será esquecido. Todavia, foi igualmente instrutivo para a investigação tecnológica e os projetos de pontes futuros. Em outubro de 1950, foi inaugurada uma segunda ponte de Tacoma Narrows no mesmo local, que ainda hoje está em serviço. No entanto, foram feitas algumas alterações importantes antes de ser aberta ao tráfego. Uma terceira ponte foi adicionada posteriormente.

07 Ponte Tacoma Narrows

Como é que foi possível acontecer um incidente tão grave?

Após esta tragédia, existe uma investigação com engenheiros experientes, que fornece resultados esclarecedores. A ponte suspensa era o tipo de ponte mais adequado e, acima de tudo, o mais económico. Não havia localização melhor para esta estrutura. Os engenheiros investiram muito no bom planeamento e na execução. Os materiais utilizados eram de muito elevada qualidade. Em resumo, a execução da obra foi baseada nos melhores conhecimentos de engenharia da época.

No entanto, o acidente resulta de vibrações anormais causadas pelos efeitos do vento. No caso de pontes deste tipo, é conhecida a possibilidade de ocorrência de ondas transversais ao longo da ponte. Bastavam ventos fracos, para a ponte apresentar vibrações naturais. A carga de vento fazia com que a ponte vibrasse cada vez mais. A ponte foi carregada dinamicamente pelo vento até atingir a frequência de ressonância certo. Além do mais, começam a formar-se vibrações verticais e torcionais excessivas. Devido ao seu dimensionamento, a ponte já não conseguia compensar esses efeitos.

As forças dinâmicas não puderam ser suficientemente absorvidas. Por isso, a amplitude de vibração era muito alta. No que diz respeito às dimensões esbeltas, a geometria desfavorável da viga do tabuleiro provou ser fatal para a ponte Tacoma Narrows. A viga do tabuleiro fina em combinação com as paredes laterais à prova de vento formava uma secção transversal que é particularmente suscetível a vibrações. Por esse motivo, a ponte colapsou. Naquela época, o conhecimento sobre os efeitos das forças aerodinâmicas era escasso.

Para a segunda e terceira pontes Tacoma Narrows, os engenheiros tiveram de lidar não apenas com o cálculo estrutural das pontes, mas também com a análise dinâmica. A largura da viga do tabuleiro foi aumentada para 18 metros. A altura até foi triplicada. Como resultado, foi uma construção muito mais rígida. A viga do tabuleiro agora também é constituída por uma estrutura treliçada aberta Como resultado, o vento tem apenas uma pequena área de ataque disponível.

Foi uma catástrofe extraordinária. No entanto, foi igualmente instrutivo para a investigação e os projetos de pontes futuros. Os modelos agora são testados num túnel de vento. Isto significa que, para além do cálculo estrutural, também é tida em consideração a análise dinâmica. Significa igualmente que já motivou a instalação de reforços adicionais em outras pontes já existentes.

As vibrações dinâmicas podem ser causadas por vento, sismos, pessoas em movimento, veículos e pelo desequilíbrio de máquinas. Isto não só compromete a capacidade de carga das estruturas, mas também o seu estado limite de utilização.

Antigamente, o vento era simulado utilizando um modelo no túnel de vento. Hoje em dia, esse processo é muito mais rápido, simples e eficiente. A Dlubal Software também criou um túnel de vento digital com o RWIND Simulation.

Os edifícios são estruturas circundadas pelo vento. O fluxo em torno dos edifícios gera cargas específicas nas superfícies É necessária uma simulação numérica dos fluxos de vento para gerar as cargas de vento em edifícios ou outros objetos, Os objetos 3D são importados, os objetos do ambiente são adicionados e a topologia é considerada. De seguida, são introduzidos o perfil de vento em função da elevação e a direção do vento. São obtidos resultados, tais como a pressão na superfície do corpo, os campos de velocidade e as linha de fluxo.

Graças a este permanente desenvolvimento e às muitas descobertas dos últimos anos, é provável que eventos trágicos como este não se repitam no futuro.