A estratégia da teia de aranha que permite construir pontes à prova de catástrofes

Em 26 de março de 2024, um navio porta-contêineres do tamanho de um prédio colidiu com um dos dois pilares da Francis Scott Key , e a maior ponte da cidade americana de Baltimore desabou. O impacto do navio derrubou uma obra de engenharia moderna que era o orgulho da cidade, com seus 2.632 metros de treliça de aço. No entanto, a ponte desabou como um brinquedo. Ela transportava 33.000 veículos todos os dias. O que poderia ter sido uma grande catástrofe, felizmente, resultou em apenas seis mortes, mas deixou uma ferida aberta na cidade, graves perdas econômicas e problemas de comunicação.

O colapso poderia ter sido evitado com um melhor projeto de construção? Um estudo espanhol, liderado pela Universidade Politécnica de Valência e pela Universidade de Vigo, encontrou seis mecanismos de resistência que podem ajudar a projetar pontes mais seguras e minimizar os danos em caso de um evento como o de Baltimore, um terremoto ou qualquer outro evento catastrófico. As descobertas do estudo permitirão uma maior otimização do projeto sem aumento de custos ou materiais. Os detalhes deste trabalho foram publicados nesta terça-feira na revista Nature.

Ao observar o trabalho das aranhas e a estrutura que elas tecem, eles mostraram que, assim como esses artrópodes se adaptam e continuam a capturar presas após danos em suas teias, as pontes de treliça de aço são capazes de suportar cargas ainda maiores do que normalmente suportariam quando danificadas.

A comparação com teias de aranha surgiu por acaso, disse José M. Adam, pesquisador da Universidade Politécnica de Valência e principal autor do estudo, à ABC. "Enquanto escrevíamos o artigo, nos deparamos com outro estudo, também publicado na revista Nature, sobre a resistência das teias de aranha. Observamos vários pontos em comum com a resistência de pontes treliçadas de aço", explica.

Como teias de aranha, essas pontes são compostas por muitos elementos lineares conectados uns aos outros, e a função do elemento que falha determina o impacto na integridade do todo. Tanto na estrutura tecida por aranhas quanto nessas obras de engenharia, "quando um elemento falha, há uma capacidade extraordinária de transferir a carga para outros, de modo que a estrutura pode continuar a suportar cargas semelhantes, como se nada tivesse acontecido. Mesmo com a falha de um elemento crítico a priori, o colapso-ruptura pode ser evitado", explica Adam.

Sua pesquisa se concentrou em estruturas de engenharia projetadas com treliças de aço, como a Ponte de Baltimore . Sabia-se que essas estruturas eram mais resistentes a impactos ou outros eventos catastróficos, mas não estava claro por que, em alguns casos, os danos se espalhavam desproporcionalmente, enquanto em outros mal afetavam a funcionalidade da ponte.

A resposta está nos seis mecanismos ocultos de resistência identificados pelos engenheiros de Valência e Vigo. "Assim como acontece com as teias de aranha, se a ponte conseguir ativar esses mecanismos, a falha de um elemento não se propaga para o restante da ponte. No entanto, se nenhum desses mecanismos for ativado, é quase certo que ocorrerá um colapso", afirma o pesquisador da Universidade Politécnica de Valência.

Para encontrar os seis fatores-chave que proporcionam maior segurança, os pesquisadores espanhóis construíram em laboratório uma maquete de um vão real de ponte, induzindo falhas em áreas específicas. Eles conceberam uma estrutura composta por vigas triangulares, nas quais todas as barras atuam em tração ou compressão. Eliminaram gradualmente as barras até identificar seis maneiras diferentes pelas quais as barras restantes da ponte são capazes de suportar as cargas às quais são submetidas.

Isso mostrou como uma estrutura muda seu comportamento, passando de uma viga apoiada em dois apoios para uma deformação que permite continuar transmitindo cargas aos apoios sem entrar em colapso. "Na minha opinião, esta é a maior contribuição do artigo", disse José López Cela, professor de Mecânica Aplicada e Engenharia de Projetos da Universidade de Castilla-La Mancha, à SMC.

Cela, que não está envolvido neste estudo, levanta dúvidas sobre como ele se comportaria em uma catástrofe real. "Falhas locais em laboratório são fáceis de causar (simplesmente cortando a barra em questão); não é fácil imaginar como elas poderiam se manifestar em uma estrutura real. No entanto, essas considerações não invalidam o interesse, a qualidade e o rigor científico" da pesquisa, insiste.

Adam argumenta: "Os resultados são totalmente aplicáveis ​​a pontes reais. Aliás, nos inspiramos em uma ponte na província de Alicante. Aplicamos leis de similaridade, o que torna os resultados diretamente aplicáveis ​​à realidade."

Os pesquisadores responsáveis ​​por este estudo acreditam que suas descobertas não só permitirão a construção de pontes mais seguras, como também ajudarão a reforçar as estruturas existentes quando sua vida útil for estendida. Entre o final do século XIX e o primeiro terço do século XX, inúmeras pontes treliçadas de aço foram construídas, e muitas delas estão atualmente em operação, principalmente para ferrovias. "Nosso trabalho ajudará a definir diretrizes para sua inspeção e reparo, o que contribuirá para a preservação de um valioso patrimônio da engenharia civil", argumenta o engenheiro valenciano.

O colapso da Ponte de Baltimore, no entanto, parecia impossível de impedir. Pouco se podia fazer contra o impacto de um navio daquele porte. Adam acredita que a falta de defesas nos pilares foi a principal fragilidade da infraestrutura que derrubou o cargueiro. "Nosso trabalho não se aplica diretamente ao caso da infraestrutura americana, porque o problema com esta ponte era muito mais básico, e o impacto quase certamente causou o colapso." No entanto, aplica-se a outras situações que terminaram em tragédia e agora fazem parte da nossa história recente, como as de Minneapolis e Mount Vernon.