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Comparative Assessment of Wind and Seismic Actions on Steel Girder Bridges in Low-Seismicity Regions: A Parametric Study Applied to Senegal

Este estudo paramétrico de pontes de vigas de aço em Dakar, Senegal, revela que, embora as ações sísmicas governem as demandas baseadas em força e os deslocamentos longitudinais, as cargas de vento controlam os deslocamentos transversais dos pilares para pilares mais altos, demonstrando que ambas as ações são críticas e que sua dominância depende do parâmetro de demanda de engenharia específico e da altura do pilar.

Autores originais: Thierno Mouhamadou Samassa Ly

Publicado 2026-09-10✓ Author reviewed ⓘ

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CC BY 4.0

Autores originais: Thierno Mouhamadou Samassa Ly

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As pontes são as artérias silenciosas da vida moderna, transportando pessoas e mercadorias através de rios e vales, mas existem em um constante e invisível cabo de guerra com o mundo natural. Duas das forças mais poderosas que os engenheiros devem considerar são o vento e o tremor do solo durante um terremoto. Em muitas partes do mundo, uma dessas forças é tão dominante que dita como uma ponte é construída, enquanto a outra é uma preocupação menor. No entanto, em regiões onde o solo é relativamente estável, mas os ventos são ferozes, surge uma questão difícil: qual força realmente vence? Isso não é apenas uma questão de curiosidade acadêmica; é um dilema prático para engenheiros que projetam infraestrutura em lugares como a África Ocidental, onde o risco de um grande terremoto é baixo, mas os ventos costais são fortes. Se um engenheiro projetar uma ponte para resistir ao vento, mas ignorar o terremoto, a estrutura poderá falhar durante um tremor raro. Inversamente, se eles superprojetarem para um terremoto que raramente acontece, podem desperdiçar recursos ou, mais perigosamente, deixar de perceber que o vento é, na verdade, a maior ameaça à estabilidade da ponte.

Em um estudo recente focado no Senegal, pesquisadores buscaram resolver esse enigma específico para pontes de vigas de aço, um tipo comum de estrutura usada para estradas na região. Eles fizeram uma pergunta direta: para uma ponte em Dakar, é o tremor da terra ou o empuxo do vento que determina o projeto final? Para encontrar a resposta, construíram uma série de modelos digitais representando pontes com diferentes comprimentos de vão e alturas de pilares, simulando como cada uma reagiria às velocidades de vento e aos riscos sísmicos específicos encontrados no Senegal. O estudo revelou uma verdade surpreendente e matizada: a resposta depende inteiramente de qual parte da ponte você está olhando e de como você mede a tensão.

Os pesquisadores examinaram doze configurações diferentes de pontes, variando os comprimentos dos vãos da ponte de 25 a 45 metros e a altura dos pilares de suporte de 5 a 16 metros. Eles calcularam as forças e os movimentos que cada ponte experimentaria sob o pior caso de vento e o pior caso de terremoto para a região. Os resultados mostraram que, para a resistência da ponte — especificamente as forças que tentam quebrar ou dobrar a base dos pilares — o terremoto é sempre o chefe. Embora o tremor do solo no Senegal seja suave, as forças sísmicas foram consistentemente mais fortes do que as forças do vento em todos os modelos testados. Isso significa que, se um engenheiro projetasse a ponte baseando-se apenas nos cálculos de vento, os pilares poderiam ser fracos demais para sobreviver a um terremoto, mesmo um moderado.

No entanto, a história muda completamente quando observamos o quanto o topo da ponte se move. Em dez de doze modelos de pontes, o vento foi a força dominante, empurrando o topo dos pilares mais longe do que o terremoto jamais conseguiria. Esta é uma distinção crítica porque uma ponte pode ser forte o suficiente para não quebrar, mas ainda assim falhar se oscilar demais, potencialmente danificando a superfície da estrada ou as juntas que permitem que a ponte se expanda e contraia. O estudo descobriu que, para pilares mais altos, a capacidade do vento de empurrar a estrutura lateralmente cresce muito mais rápido do que a capacidade do terremoto de sacudi-la. De fato, para pontes com vãos de 45 metros, o vento controlava o movimento independentemente de quão altos fossem os pilares. Para pontes mais curtas, o vento só assumia o controle após os pilares atingirem uma certa altura, aproximadamente entre 5 e 8 metros.

Essa descoberta desafia uma suposição comum na engenharia de que uma zona de baixo risco sísmico permite que terremotos sejam ignorados. Nos Estados Unidos, por exemplo, os códigos de construção frequentemente permitem que engenheiros pulem cálculos detalhados de terremotos para áreas com risco sísmico muito baixo, assumindo que o vento é a única ameaça real. O estudo do Senegal sugere que, para pontes, esse atalho é perigoso. Mesmo em uma região com baixa probabilidade de terremotos, as forças de sacudida ainda são fortes o suficiente para ditar a resistência da fundação da ponte. Ao mesmo tempo, o vento é forte o suficiente para ditar o quanto a ponte pode oscilar.

Os pesquisadores concluíram que os engenheiros no Senegal, e em regiões semelhantes ao redor do mundo, não podem simplesmente escolher um perigo e ignorar o outro. Eles devem projetar a ponte para ser forte o suficiente para resistir ao terremoto, enquanto simultaneamente garantem que ela seja rígida o suficiente para resistir ao vento. As duas forças governam aspectos diferentes do design, e uma não pode ser inferida pela outra. Isso significa que uma ponte que parece perfeita contra o vento pode colapsar em um terremoto, e uma ponte construída para sobreviver a um terremoto pode oscilar tão violentamente no vento que se torna inutilizável. O estudo fornece um mapa claro para os projetistas, mostrando exatamente onde o equilíbrio muda com base na altura dos pilares e no comprimento dos vãos, garantindo que a próxima geração de pontes na África Ocidental esteja segura tanto do solo abaixo quanto do ar acima.

Resumo Técnico: Avaliação Comparativa de Ações de Vento e Sísmicas em Pontes de Vigas de Aço em Regiões de Baixa Sismicidade

Definição do Problema
O projeto de pontes em regiões caracterizadas por baixa sismicidade, mas altas velocidades de vento costeiro, como o Senegal, apresenta um desafio de engenharia específico: determinar qual perigo lateral governa o projeto e para qual estado limite. Embora o Senegal enfrente cargas de vento significativas (velocidade básica de até 42 m/s) e sismicidade de baixa a moderada (PGA ~0,05 g), carece de um código nacional de projeto sísmico, baseando-se em vez disso nas estruturas do Eurocode. A literatura existente concentrou-se amplamente ou na vulnerabilidade sísmica de forma isolada ou em comparações vento-sismo para estruturas de grande vão ou suportadas por cabos. Existe uma lacuna na compreensão de como as ações de vento e sísmicas competem em pontes ordinárias de vigas de aço, especificamente no que diz respeito a saber se a ação governante é uniforme em todos os parâmetros de demanda de engenharia (EDPs) ou se depende do parâmetro específico (força vs. deslocamento) e da geometria estrutural (comprimento do vão e altura do pilar).

Metodologia
O estudo emprega uma análise de elementos finitos paramétrica de doze modelos de pontes contínuas de vigas compostas de aço-concreto com três vãos. Os modelos variam através de três comprimentos de vão central (25, 35 e 45 m) e quatro alturas de pilar (5, 8, 12 e 16 m).

Software e Modelagem: Os modelos foram gerados e analisados no SAP2000 utilizando a Open Application Programming Interface (OAPI). A superestrutura foi modelada como uma viga espinha e os pilares como elementos de pórtico com rigidez fissurada (0,5 $I_g$ ) para simular o comportamento do concreto armado.
Carregamento Sísmico: Foram aplicadas as disposições do Eurocode 8 (EN 1998-2) utilizando um espectro de resposta elástico do Tipo 2 para um PGA de referência de 0,05 g no Solo Tipo B. Foi utilizado um fator de comportamento ( $q$ ) de 1,5. As demandas sísmicas foram derivadas via análise de espectro de resposta modal (20 modos, combinação CQC).
Carregamento de Vento: Foram aplicados procedimentos estáticos equivalentes do Eurocode 1-4 (EN 1991-1-4) para uma velocidade de vento básica de 42 m/s (Categoria de Terreno II).
Métricas Comparativas: O estudo avalia razões adimensionales sísmico-vento para três EDPs na base do pilar: cortante basal ( $R_V$ ), momento basal ( $R_M$ ) e deslocamento do topo do pilar ( $R_\delta$ ). Crucialmente, os deslocamentos sísmicos foram amplificados pelo fator de ductilidade de deslocamento ( $\mu_d$ ) conforme a EN 1998-2 para garantir uma comparação de nível de projeto consistente com os deslocamentos de vento fatorados.

Principais Contribuições

Primeira Comparação Quantitativa para a África Ocidental: Este trabalho fornece a primeira comparação sistemática vento-sismo para subestruturas de pontes no contexto da África Ocidental, onde o baixo PGA coincide com altas velocidades de vento.
Governança Dependente de EDP: O estudo demonstra que a governança não é uniforme; ela depende do parâmetro de demanda de engenharia específico. Demandas baseadas em força e baseadas em deslocamento dentro da mesma estrutura são controladas por diferentes perigos.
Identificação de Limiares Geométricos: A pesquisa identifica que a fronteira onde o vento governa o deslocamento sobre a ação sísmica reside dentro do alcance do projeto prático ordinário (especificamente relacionado à altura do pilar), em vez de existir apenas em geometrias extremas.

Resultos

EDPs Baseados em Força (Cortante e Momento): As ações sísmicas governam o projeto tanto para o cortante basal ( $R_V$ ) quanto para o momento basal ( $R_M$ ) em todas as doze configurações. As razões variam de $R_V = 1,14$ a $1,71 $e$ R_M = 1,22 $a$ 2,26$. Mesmo na sismicidade mais baixa considerada (0,05 g), as forças sísmicas excedem as forças de vento por uma margem significativa, contradizendo a intuição de que a baixa sismicidade implica dominância do vento para o projeto de resistência.
EDPs Baseados em Deslocamento: As ações de vento governam o deslocamento transversal do topo do pilar em dez das doze configurações ( $R_\delta < 1,0$ ). As duas exceções são as configurações mais rígidas (pilares de 5 m em vãos de 25 m e 35 m), onde o deslocamento sísmico governa ( $R_\delta > 1,0$ ).
Tendências Paramétricas:
- Altura do Pilar: À medida que a altura do pilar aumenta, as razões de força sísmico-vento diminuem (aproximando-se da unidade) devido ao alongamento do período que reduz a aceleração espectral. Inversamente, a razão de deslocamento ( $R_\delta$ ) cai drasticamente à medida que a altura do pilar aumenta porque o deslocamento do vento escala cubicamente com a altura, enquanto o deslocamento sísmico escala de forma mais linear.
- Comprimento do Vão: Vãos mais longos aumentam as razões de força sísmico-vento (devido ao aumento da massa sísmica), mas diminuem a razão de deslocamento (devido à maior área exposta ao vento e vigas mais profundas).
- Direção Longitudinal: As ações sísmicas governam todos os EDPs na direção longitudinal sem exceção, pois as forças do vento no tabuleiro são negligenciáveis e os deslocamentos sísmicos excedem os deslocamentos do vento por fatores de 8,4 a 81,8.
Papel Crítico da Amplificação: O estudo destaca que a omissão do fator de amplificação de deslocamento sísmico ( $\mu_d$ ) subestimaria os deslocamentos sísmicos em pelo menos 1,5, potencialmente classificando incorretamente a ação governante em várias configurações.

Significância e Implicações de Projeto
O artigo conclui que, para pontes de vigas de aço em regiões de baixa sismicidade e alto vento, como o Senegal, nem as verificações de vento nem as sísmicas podem ser omitidas com base na outra.

Projeto de Resistência: Engenheiros devem esperar que as ações sísmicas governem o cortante basal e o momento para pilares de até 16 m de altura e vãos de até 45 m. Isso contrasta com estruturas como o AASHTO LRFD (Zona 1), que poderia isentar tais estruturas de análise sísmica inteiramente.
Projeto de Serventia/Deslocamento: As ações de vento provavelmente governarão as verificações de deslocamento transversal para pilares com mais de aproximadamente 8 m de altura, ou para qualquer altura de pilar com vãos de 45 m.
Prática: Os resultados sugerem que os projetistas devem realizar ambas as verificações de sismo do Eurocode 8 e de vento do Eurocode 1-4. O perigo governante não é uma propriedade apenas do local, mas é uma função do limite específico (resistência vs. serventia) e da geometria estrutural. O estudo fornece uma base para a tomada de decisões informadas em regiões que carecem de códigos nacionais, indo além de suposições padrão para uma avaliação quantitativa de perigos concorrentes.

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