Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

Quando o chão treme durante um terremoto, o solo sob nossos pés pode, às vezes, perder sua resistência e transformar-se em uma lama espessa, semelhante a um fluido. Este fenômeno, conhecido como liquefação, é uma ameação silenciosa às fundações de pontes. Diferente de um solo sólido que mantém uma estrutura firmemente no lugar, o solo liquefeito oferece pouca resistência, permitindo que as estacas — as colunas profundas que ancoram uma ponte — afundem, inclinem ou quebrem sob o peso acima. Isso é particularmente perigoso para um tipo específico de ponte chamado ponte de abutamento integral. Essas estruturas são construídas como uma moldura única e contínua, sem as juntas de expansão encontradas em pontes mais antigas, o que permite que elas se movam mais naturalmente com as mudanças de temperatura. No entanto, esse design contínuo significa que o tabuleiro da ponte está rigidamente conectado às estacas, transferindo cada bit de energia sísmica diretamente para a fundação. Se o solo liqueffa, a ponte perde sua aderência, e as estacas devem absorver toda a força do tremor sem quebrar.

A questão que os engenheiros enfrentam não é apenas como construir essas pontes, mas como construí-las para sobreviver a diferentes tipos de terremotos. Terremotos não são todos iguais; alguns ocorrem perto da falha, enviando pulsos de energia poderosos e repentinos que podem pegar as estruturas desprevenidas, enquanto outros acontecem longe, entregando um tremor mais longo e ondulante. Os pesquisadores queriam saber como a escolha do material e do formato da estaca afeta a sobrevivência de uma ponte quando o solo se torna líquido sob ambos os tipos de tremores. Para encontrar a resposta, uma equipe de engenheiros de universidades da China e do Afeganistão criou uma simulação computacional detalhada de uma ponte de vão único. Eles modelaram a ponte sobre seis tipos diferentes de estacas: cilindros de concreto grandes e pequenos, tubos de aço, vigas de aço orientadas em diferentes direções e um design híbrido onde o concreto é despejado dentro de um tubo de aço. Eles então submeteram as pontes virtuais a dez movimentos de terremotos registrados, metade de eventos de falha próxima e metade de eventos de falha distante, enquanto simulavam o solo tornando-se um fluido.

Os resultados revelaram que a melhor escolha para uma estaca depende fortemente do tipo de terremoto e do material utilizado. Quando o solo treme com os pulsos agudos e violentos de um terremoto de falha próxima, as estacas de concreto rígidas, especialmente as maiores, tenderam a dobrar e rachar mais do que as opções de aço. O concreto, por ser rígido, não conseguiu absorver o solavanco repentino tão bem, levando a maiores tensões na estrutura. Em contraste, quando o tremor veio de uma fonte distante, as estacas de aço experimentaram maior movimento e tensão do que as de concreto. Isso sugere que a flexibilidade natural do aço, que geralmente ajuda a sobreviver, pode às vezes trabalhar contra ele durante as ondas mais lentas e ondulantes de um tremor de falha distante. No entanto, um design se destacou como o mais resiliente em todos os aspectos: o tubo de aço preenchido com concreto. Esta estaca híbrida combinou a força do concreto com a flexibilidade do aço, permitindo que ela lidasse com o estresse de ambos os tipos de terremoto com uma consistência notável.

O estudo também observou o quanto a própria ponte se moveu. As simulações mostraram que as pontes apoiadas em tubos de aço preenchidos com concreto moveram-se menos do que aquelas sobre estacas de aço puro, e o movimento foi quase o mesmo, independentemente de o terremoto ser próximo ou distante. Essa estabilidade é crucial porque o movimento excessivo pode danificar a superfície da estrada ou as conexões com a rodovia. Os pesquisadores descobriram que, embora as estacas de aço fossem fortes, eram mais propensas ao encurvadura — um tipo de colapso estrutural onde a coluna dobra e perde a forma — especialmente quando o solo perdia sua aderência. Os tubos preenchidos com concreto, por outro lado, conseguiram dobrar e esticar sem falhar, dissipando efetivamente a energia do terremoto.

Para engenheiros que projetam pontes em áreas propensas à liquefação, essas descobertas oferecem um caminho claro a seguir. O estudo sugere que o uso de tubos de aço preenchidos com concreto é a opção mais confiável para pontes de abutamento integral, pois eles proporcionam um equilíbrio entre força e flexibilidade que protege a estrutura tanto de choques súbitos de curto alcance quanto de tremores ondulantes distantes. Se vigas de aço precisarem ser usadas em vez disso, a pesquisa indica que as áreas de alta tensão onde a estaca encontra o solo precisam de reforço extra para evitar falhas. Ao escolher o material de fundação correto, os engenheiros podem garantir que, mesmo quando o chão sob nossos pés se tornar líquido, a ponte acima permaneça de pé.