Como as grandes pontes podem ser resistentes a terremotos?

Como as grandes pontes, com vãos da ordem de 1 km, podem ser resistentes a terremotos?

Não sou especialista em terremotos, mas existem pelo menos dois tipos de tremores: lateral e vertical. O tremor vertical em particular realmente me preocupa. Não sei como qualquer tipo de absorção de choque pode ser construído em uma estrutura alta e maciça, como um prédio ou torre de ponte.

(Inicialmente, eu ia perguntar sobre pontes suspensas, mas depois li que pontes suspensas não são ótimas para trens pesados. O pano de fundo dessa pergunta está na minha exploração da idéia de uma ponte de Bering (do Alasca à Sibéria, atravessando o estreito de Bering ), que seria principalmente uma ponte de trem e precisaria lidar com trens de carga, o mais pesado de todos os tempos excedendo 100 toneladas por carro.)

Então, vou fazer a pergunta sobre grandes pontes em geral.

Acho que o maior terremoto no Alasca foi uma escala de 9,4 Richter em 1964, atingindo Fairbanks. (Não sei como converter para a escala Moment-Magnitude). É possível construir pontes grandes que não entrarão em colapso com isso? Idealmente, queremos que a ponte não entre em colapso durante um terremoto, mesmo que esteja sob carga total.

PS: Eu sei que não é rentável construir essa ponte. Por um lado, o extremo leste da Sibéria não tem rede ferroviária (ou muita civilização em geral). Foi proposto um projeto de túnel que acho que eles disseram ser mais barato que uma ponte, o que eu não conseguia entender porque cavar rochas duras parece muito mais difícil do que empilhar uma pilha em águas profundas de 50 m. O projeto do túnel foi suspenso pelo IIRC, sem surpresa.

De qualquer forma, estou apenas explorando se essa ponte é tecnicamente possível e pode ser resistente a terremotos. Se você precisar de algo mais próximo da realidade, suponho que possamos olhar para a Ponte Golden Gate, em São Francisco. Vi aqui que eles estavam trabalhando para torná-lo seguro em terremotos de até 8,3, mas não entrou em detalhes. E lembre-se de que a ponte Golden Gate não lida com trens de carga.

De qualquer forma, é possível à prova de terremotos ou seriamente resistir a terremotos em grandes pontes carregadas com um trem de carga? A ponte não precisaria necessariamente permanecer completamente intacta. Eu só não quero que ele pare e solte o trem no oceano.

Isso é possível?

Você nunca pode fazer algo à prova de terremotos, mas há muitas coisas que podem ser feitas para resistir a terremotos.

Existem pontes de longo alcance construídas em zonas de terremotos. Por exemplo, a ponte Akashi Kaikyo no Japão é atualmente a ponte mais longa do mundo e está em uma zona sísmica severa. Ele foi projetado para suportar um terremoto de magnitude 8,5. De fato, foi submetido a um terremoto de magnitude 7,2 durante a construção . galtor mencionado em outra resposta, a ponte da baía de São Francisco, que foi adaptada para melhorar sua resistência sísmica. Portanto, projetar pontes para resistir a terremotos fortes é certamente possível e já foi feito.

O que pode ser feito para melhorar a resistência ao terremoto de uma ponte?

Amortecedores de massa ajustados são usados ​​em edifícios altos, bem como em pontes para neutralizar o movimento devido a terremotos, vento e outras cargas laterais. A ponte Akashi Kaikyo usa TMDs nas torres de suspensão, por exemplo.

O isolamento da base é uma das técnicas mais comuns usadas para resistir ao movimento do terremoto. Estes são dispositivos que separam essencialmente o movimento horizontal da fundação do restante da estrutura, usando alguma forma de rolamentos deslizantes. Se projetado corretamente, isso pode reduzir drasticamente os danos causados ​​pelo terremoto.

Amortecedores sísmicos também são comuns. Trata-se de uma gama de dispositivos que atuam para remover a energia sísmica da estrutura, semelhante à maneira como os amortecedores de um carro removem a energia de vibração do carro que percorre uma estrada acidentada.

Essas tecnologias são bem compreendidas e são frequentemente usadas em pontes e edifícios. Existem mais técnicas experimentais que também são possíveis, como: isolamento de balanço ou sistemas de amortecimento ativos (amortecedores controlados por computador).

Se desejado, esses dispositivos também podem ser usados ​​em combinação para melhorar ainda mais a resposta ao terremoto.

Na prática de projeto sísmico padrão, uma estrutura é projetada para acomodar alguns danos. Esse dano é, sempre que possível, concentrado em elementos que são mais facilmente substituídos (vigas e suspensórios) e que não resultam em colapso desproporcional se danificados.

Certamente, é tecnicamente viável projetar grandes pontes para resistir ao carregamento de terremotos. Especialmente se não houvesse restrições financeiras.

Você pode encontrar esta leitura útil: Como funcionam os edifícios resistentes a terremotos . As técnicas usadas em edifícios também podem ser aplicadas a pontes.

Na verdade, pontes muito longas (e edifícios super altos) costumam ter menos problemas com terremotos do que seus irmãos menores. Isso ocorre porque geralmente são muito mais flexíveis e, portanto, têm períodos fundamentais mais baixos, o que os torna menos suscetíveis à ressonância em seus modos fundamentais. Os modos fundamentais são os padrões oscilantes que incluem a maioria da massa estrutural. Uma simplificação extrema seria que a estrutura principal oscila tão lentamente que mal percebe os movimentos rápidos de um terremoto. Um pouco como um grande navio em pequenas ondas.

Em geral, as estruturas de "tamanho médio", com frequências fundamentais entre, por exemplo, 1 Hz e 10 Hz, são geralmente muito mais afetadas, pois há um risco muito maior de ressonância fundamental, levando a efeitos de carga muito grandes. Para estruturas muito grandes e delgadas, a engenharia eólica é geralmente um desafio maior do que a engenharia de terremotos.

No entanto, os pilares e pilares e suas conexões com o convés da ponte principal são críticos, pois geralmente são muito mais rígidos que a ponte como um todo. E, dado o valor investido e as conseqüências potencialmente horríveis de uma falha de uma grande estrutura, é claro que será feito muito esforço para realizar e verificar (e triplicar a verificação) a engenharia de terremotos de todas as partes da estrutura. Estou apenas apontando que os problemas não são simplesmente proporcionais à escala, estruturas maiores não são necessariamente mais difíceis de "evitar terremotos" do que as menores.

Vou me centrar em uma das pontes mais famosas dessas condições nos últimos anos: San Francisco Bay Bridge.

Esta ponte não está planejada para trens e, portanto, eles testaram com enormes macacos hidráulicos (veja aqui ). Essa ponte foi projetada para não desmoronar durante um terremoto, mas apenas para sofrer pequenas avarias que poderiam ser facilmente reparadas.

Quando terremotos, um dos pontos cruciais encontrados é que a torre da ponte deve resistir e não cair. E este é um ponto-chave na ponte atual, pois possui um porão individual e caro e a torre principal é dividida em quatro partes para não desmoronar completamente ( veja aqui ). A ponte poderia ser robusta e indestrutível, mas esteticamente seria muito mais feia e provavelmente mais cara para o aumento de concreto e outros materiais.

Diferentemente das pontes suspensas mais convencionais, nas quais cabos paralelos são pendurados em torres e ancorados nas duas extremidades em rocha ou concreto, a ponte San Francisco Oakland Bay tem apenas uma única torre e um único cabo que é ancorado ao próprio pavimento da estrada, saindo da extremo leste ao extremo oeste e vice-versa.

Não faz sentido defender pontes romanas entre outras. Os romanos apenas testaram projetos empiricamente até perceberem que um modelo específico resistia, mas a engenharia de pontes não era muito grande naqueles tempos.