Ponte Suspensa

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Em uma ponte pênsil, a plataforma de transporte de tráfego é sustentada por uma série de cabos de aço pendurados em cabos enormes pendurados entre torres altas. A Ponte do Brooklyn em Nova York e a Ponte Golden Gate em São Francisco são duas das mais famosas pontes suspensas. A ponte Akashi Kaikyo no Japão, concluída em 1998, contém a maior extensão de suspensão do mundo (distância entre as torres de apoio) - 6.529 pés (1.991 m); toda a ponte, incluindo as partes entre as torres e as margens, totaliza cerca de 4 km (2,5 mi). A construção da ponte Akashi Kaikyo levou dez anos, custou US $ 3,6 bilhões e envolveu apenas seis feridos (sem mortes). Um século antes, a construção da ponte do Brooklyn, com uma extensão de 1.600 pés (490 m), levou 14 anos e resultou na perda de 27 vidas.

Antecedentes

As pontes suspensas são um dos primeiros tipos inventados pelo homem. A versão mais primitiva é uma corda de videira ligando os dois lados de um abismo; uma pessoa viaja pendurada na corda e puxando-se com as mãos. Essas pontes primitivas - algumas com até 660 pés (200 m) - ainda estão sendo usadas em áreas como a Índia rural. Projetos um pouco mais sofisticados incorporam uma superfície plana na qual uma pessoa pode andar, às vezes com a ajuda de corrimãos de videira.

Por volta do século VIII, os construtores de pontes chineses estavam construindo pontes suspensas colocando pranchas entre pares de correntes de ferro, essencialmente fornecendo uma plataforma flexível apoiada em cabos. Pontes semelhantes foram construídas em várias partes do mundo durante os séculos subsequentes. Mas a era moderna das pontes suspensas não começou até 1808, quando um americano chamado James Finley patenteou um sistema para suspender um deck rígido dos cabos de uma ponte.

Embora Finley tenha construído mais de uma dúzia de pequenas pontes, a primeira ponte importante que incorporou sua técnica foi construída por Thomas Telford sobre o Estreito de Menai, na Inglaterra. Concluído em 1825, tinha torres de pedra de 153 pés (47 m) de altura, 1.710 pés (521 m) de comprimento e um vão de 580 pés (177 m). A estrada, que tinha 30 pés (9 m) de largura, foi construída sobre uma plataforma rígida suspensa por cabos de ferro. A ponte ainda está em uso, embora as correntes de ferro tenham sido substituídas por elos de barra de aço em 1939.

Outro americano, John Roebling, desenvolveu duas grandes melhorias no projeto da ponte pênsil em meados do século XIX. Uma era enrijecer a plataforma rígida do convés com treliças (arranjos de vigas horizontais e verticais que são reforçadas com vigas diagonais). A experiência mostrou que o vento ou as cargas de tráfego rítmicas podem enviar conveses insuficientemente rígidos em vibrações que podem crescer fora de controle e literalmente rasgar uma ponte.

Outra inovação importante de Roebling envolveu a construção dos cabos de suporte da ponte. Por volta de 1830, os engenheiros franceses mostraram que cabos compostos por muitos fios de arame funcionavam melhor do que correntes para suspender pontes. Roebling desenvolveu um método para "girar" ou construir os cabos colocados na ponte, em vez de transportar cabos pré-fabricados desajeitados e colocá-los na posição. Seu método ainda é comumente (embora não exclusivamente) usado em novas pontes.

A história das pontes suspensas é generosamente polvilhada com exemplos de pontes bem-sucedidas que foram amplamente consideradas impossíveis quando propostas por um engenheiro visionário. Um exemplo foi uma ponte ferroviária que Roebling construiu entre 1851-1855 através do desfiladeiro do Rio Niagra. A primeira ponte suspensa reforçada com treliça, era sustentada por quatro cabos de 10 pol. (250 cm) de diâmetro amarrados entre torres de pedra. Quarenta anos após a conclusão, a ponte estava transportando com sucesso um tráfego 2,5 vezes mais pesado do que foi projetado; naquele ponto, ele foi retirado e desmontado.

Um cabo de assentamento de operário representa o cabo de suspensão da nova Tacoma, Washington, Narrows Bridge em 21 de outubro de 1949.

A ponte Tacoma Narrows era a terceira maior ponte suspensa do mundo e tinha apenas cinco meses quando desabou no sábado, 7 de novembro de 1940. O vão central, medindo 2.800 pés (853,4 m), se estendia por dois 425 pés (129,5 m) ) torres altas, enquanto os vãos laterais tinham cada um 304,8 m de comprimento. Os cabos de suspensão pendurados nas torres foram ancorados a 1.000 pés (304,8 m) na direção das margens do rio. O designer, Leon Moisseiff, foi um dos mais importantes engenheiros de pontes do mundo.

A intenção de Moisseiff era produzir um deck muito estreito, arqueando suavemente entre as torres altas. Seu projeto combinou os princípios da suspensão por cabo com um projeto de viga de reforços de placa de aço - correndo ao longo da lateral da estrada - que foi simplificado para apenas 8 pés (2,4 m) de profundidade.

A ponte de US $ 6,4 milhões foi apelidada de "Galope Gertie" por pessoas que experimentaram seu comportamento estranho. Forçados a suportar as ondulações que balançavam e rolavam pelo convés, os operários queixavam-se de enjôo. Após a inauguração, tornou-se um evento esportivo desafiador para os motoristas atravessarem, mesmo com ventos fracos, e as reclamações sobre enjôo tornaram-se comuns.

Os engenheiros da State and Toll Bridge Authority estavam mais do que um pouco nervosos com o comportamento do vão estreito de duas pistas, que tinha apenas 39 pés (1 1,9 m) de largura. Sua profundidade rasa em relação ao comprimento do vão (8-2.800 pés [2,4-853,4 m]) resultou em uma proporção de 1:350, quase três vezes mais flexível do que as pontes Golden Gate ou George Washington. Os engenheiros tentaram vários métodos para estabilizar as oscilações, mas nenhum funcionou.

Entre as testemunhas estavam Kenneth Arkin, presidente da Toll Bridge Authority, e o professor Farquharson. Às 10:00, Arkin viu que a velocidade do vento havia subido de 38-42 mi (61,1-67,6 km) por hora, enquanto o convés subia e descia 3 pés (0,9 m) 38 vezes em um minuto. Ele e Farquharson pararam o trânsito.

Leonard Coatsworth, um jornalista, abandonou seu carro no meio da ponte quando não conseguiu mais dirigir por causa das ondulações. Ele se virou brevemente, lembrando que o cachorro de estimação de sua filha estava no carro, mas foi jogado de joelhos. Por volta das 10h30, as cordas dos suspensórios começaram a se rasgar, quebrando o convés e jogando o carro de Coatsworth na água. Em meia hora, o resto do convés caiu seção por seção.

Os engenheiros que investigaram o problema das pontes retorcidas conseguiram explicar que os ventos não atingem a ponte no mesmo ângulo, com a mesma intensidade, o tempo todo. Por exemplo, o vento vindo de baixo levanta uma borda, empurrando para baixo o oposto. O baralho, tentando se endireitar, gira para trás. As torções repetidas aumentam em amplitude, fazendo com que a ponte oscile em diferentes direções. O estudo do comportamento do vento evoluiu para uma disciplina inteira de engenharia chamada aerodinâmica. Eventualmente, nenhuma ponte, edifício ou outra estrutura exposta foi projetada sem testar um modelo em um túnel de vento. Com o desenvolvimento de recursos gráficos, alguns desses testes agora são feitos em computadores.

Em 1869, Roebling morreu em um acidente enquanto pesquisava o local para a Ponte do Brooklyn, que ele havia projetado. Seu filho, Washington Roebling, passou os 14 anos seguintes construindo a famosa estrutura. Esta foi a primeira ponte pênsil a usar cabos de aço em vez de ferro forjado (um tipo de ferro relativamente macio que, embora quente, pode ser moldado por máquinas ou martelado). Cada um dos quatro cabos de 16 pol. (40 cm) de diâmetro consiste em mais de 5.000 fios de aço paralelos. Mais de um século após sua conclusão, a Ponte do Brooklyn carrega uma grande quantidade de tráfego moderno.

Outra ponte suspensa histórica foi construída na Golden Gate - a foz da Baía de São Francisco - de 1933 a 1937 por Joseph Strauss. A Ponte Golden Gate tem 6.450 pés (1.966 m) de comprimento, com um vão principal de 4.200 pés (1.280 m). Suas duas torres têm 746 pés (227 m) de altura; eles suportam dois cabos de 7.125 toneladas (6,5 milhões de kg) que contêm um total de 80.000 mi (129.000 km) de fio de aço. Apesar das rigorosas precauções de segurança, 11 trabalhadores morreram; 19 foram salvos por uma rede de segurança pendurada abaixo do convés durante a construção - uma inovação que se tornou padrão em projetos de ponte posteriores.

Uma das falhas de ponte mais famosas na América foi o colapso da ponte Tacoma Narrows em Puget Sound, no estado de Washington, em 1940. Na época, a terceira ponte pênsil mais longa do mundo, foi projetada para ser excepcionalmente elegante. Com largura suficiente apenas para duas faixas de tráfego e calçadas, o vão tinha 853 m de comprimento. Em vez de ser reforçado com treliças, o tabuleiro foi reforçado por duas vigas de aço de apenas 2,4 m de altura, com alguns contraventamentos conectando-as. Este projeto não apenas proporcionou menos rigidez do que as treliças, mas também permitiu que o vento exerça fortes forças sobre a estrutura, em vez de passar sem causar danos por um arranjo de treliça aberto. Quatro meses depois de ter sido concluída, a ponte foi colocada em um padrão de oscilações crescentes de ventos de 42 mph (68 km / h) e se despedaçou. A ponte substituta, construída uma década depois, foi projetada com uma plataforma reforçada com uma treliça de aço de 10 m de espessura.

Matérias-primas

Muitos dos componentes de uma ponte suspensa são feitos de aço. As vigas mestras utilizadas para tornar o deck rígido são um exemplo. O aço também é usado para as selas, ou canais abertos, nos quais os cabos repousam no topo das torres de uma ponte pênsil.

Quando o aço é trefilado (esticado) em arames, sua resistência aumenta; consequentemente, um feixe relativamente flexível de fios de aço é mais forte do que uma barra de aço sólida do mesmo diâmetro. Esta é a razão pela qual o cabo de aço é usado para apoiar as pontes suspensas. Para a ponte Akashi Kaikyo, foi desenvolvido um novo aço de baixa liga reforçado com silício; sua resistência à tração (resistência às forças de tração) é 12% maior do que qualquer formulação anterior de fio de aço. Em algumas pontes suspensas, os fios de aço que formam os cabos foram galvanizados (revestidos com zinco).

As torres da maioria das pontes suspensas são feitas de aço, embora algumas tenham sido construídas com concreto armado com aço.

Design

Cada ponte pênsil deve ser projetada individualmente para levar em consideração muitos fatores. Por exemplo, a geologia do local fornece uma base para as torres e ancoragens de cabos e pode ser suscetível a terremotos. A profundidade e a natureza da água sendo interligada (por exemplo, água doce ou salgada e a força das correntes) podem afetar tanto o projeto físico quanto a escolha de materiais como revestimentos de proteção para o aço. Em águas navegáveis, pode ser necessário proteger uma torre de possíveis colisões de navios, construindo uma ilha artificial em sua base.

Desde o desastre da ponte Tacoma Narrows, todos os novos projetos de ponte foram testados colocando modelos em escala em túneis de vento, como o projeto da ponte Golden Gate. Para a ponte Akashi Kaikyo, por exemplo, o maior túnel de vento do mundo foi construído para testar modelos em escala 1/100 de seções de ponte.

Em pontes muito longas, pode ser necessário levar em consideração a curvatura da Terra ao projetar as torres. Por exemplo, na Verrazano Narrows Bridge de Nova York, as torres, que têm 700 pés (215 m) de altura e uma distância de 4.260 pés (298 m), estão cerca de 1,75 pol (4,5 cm) mais afastadas no topo do que em o fundo.

O processo de fabricação

A construção de uma ponte pênsil envolve a construção sequencial dos três As construções de torres que ficarão na água começam com caixões (um cilindro de aço e concreto que atua como uma barragem circular) que são baixados ao solo sob a água, esvaziados de água e preenchidos com concreto em preparação para as torres reais. componentes principais:as torres e fixações dos cabos, o próprio cabo de suporte e a estrutura do convés.

Construção da torre

• 1 As fundações da torre são preparadas escavando-se em uma formação rochosa suficientemente firme. Algumas pontes são projetadas de forma que suas torres sejam construídas em terra firme, o que facilita a construção. Se uma torre ficar na água, sua construção começa com o abaixamento de um caixão (um cilindro de aço e concreto que atua como uma represa circular) até o solo sob a água; remover a água do interior do caixão permite que os trabalhadores escavem uma fundação sem realmente trabalhar na água. Quando a escavação é concluída, uma fundação de torre de concreto é formada e derramada.
• 2 Os detalhes de construção variam com cada ponte exclusiva. Como exemplo, considere a ponte Akashi Kaikyo. Cada uma de suas duas torres de aço consiste em duas colunas. Cada coluna é composta por 30 blocos verticais (ou camadas), cada um dos quais com 33 pés (10 m) Ancoragens - estruturas que suportam os cabos da ponte - são blocos maciços de concreto firmemente fixados a fortes formações rochosas. Quando as torres e ancoragens forem concluídas, uma linha piloto deve ser esticada ao longo do caminho final do cabo, de uma ancoragem através das torres até a outra ancoragem. alto; cada um desses blocos, por sua vez, consiste em três seções horizontais. Um guindaste posicionado entre as colunas ergueu três seções em cada coluna, completando uma camada. Depois de completar um bloco em cada coluna, o guindaste "bootstrapping" foi içado para o próximo nível, onde ergueu as seções da próxima camada no lugar. Em intervalos apropriados, reforço diagonal foi adicionado entre as colunas.

Construção de ancoragem

• 3 Ancoragens são as estruturas às quais as extremidades dos cabos da ponte são fixadas. Eles são blocos de concreto maciços firmemente presos a fortes formações rochosas. Durante a construção das ancoragens, barras oculares fortes (barras de aço com um orifício circular em uma das extremidades) são embutidas no concreto. Montada na frente da ancoragem está uma sela de pulverização, que apoiará o cabo no ponto onde seus feixes de fios individuais (consulte a Etapa 5) se espalham - cada feixe de arame será preso a um dos olhais da ancoragem.

Construção do cabo

• 4 Quando as torres e ancoragens forem concluídas, uma linha piloto deve ser esticada ao longo do caminho eventual do cabo, de uma ancoragem através das torres até a outra ancoragem. Vários métodos podem ser usados ​​para posicionar a linha piloto. Para a ponte do rio Niagra, por exemplo, Roebling ofereceu uma recompensa de US $ 10 ao primeiro jovem que pudesse empinar uma pipa com uma linha piloto presa ao longo do desfiladeiro para fazer a conexão. Hoje, um helicóptero pode ser usado. Ou a linha pode ser feita através da extensão de barco e então colocada em posição. Quando a linha piloto está instalada, uma passarela é construída em todo o comprimento da ponte, cerca de 3 pés (1 m) abaixo da linha piloto, para que os trabalhadores possam cuidar da formação do cabo.
• 5 Para começar a girar o cabo, um grande carretel de fio é posicionado na ancoragem. A extremidade livre do fio é enrolada em torno de uma sapata (um canal de aço ancorado em um eyebar). Entre o carretel e a sapata, o fio é enrolado em uma roda giratória montada na linha piloto. Essa roda carrega o fio pelo caminho da ponte, e o fio é enrolado em uma sapata de cabo na outra ancoragem; a roda então retorna à primeira ancoragem, colocando outro cordão no lugar. O processo é repetido até que um feixe do número desejado de fios de arame seja formado (isso varia de cerca de 125 fios a mais de 400). Durante a fiação, os trabalhadores que estão na passarela garantem que o arame se desenrole suavemente, liberando todas as dobras. À medida que os carretéis acabam, a ponta do fio é emendada ao fio de um novo carretel, formando um fio contínuo. Quando o feixe é grosso o suficiente, fita ou tiras de arame são aplicadas em intervalos Uma vez que os cabos verticais são conectados ao cabo de suporte principal, a estrutura do deck deve ser construída em ambas as direções do Apoie as torres na taxa correta para manter as forças nas torres equilibradas o tempo todo. Um guindaste móvel levanta as seções do convés para o lugar, onde os trabalhadores as prendem às seções previamente colocadas e aos cabos verticais que ficam pendurados nos cabos de suspensão principais. para manter os fios juntos. O fio que sai do carretel é cortado e preso à ancoragem. Em seguida, o processo começa novamente para o próximo pacote.
  O número de feixes necessários para um cabo completo varia; na ponte Golden Gate é 61 e na ponte Akashi Kaikyo é 290. Quando o número adequado é girado, um arranjo especial de tomadas radialmente posicionadas é usado para comprimir os feixes em um cabo compacto e o fio de aço é enrolado em torno dele. As braçadeiras de aço são montadas ao redor do cabo em intervalos predeterminados para servir como pontos de ancoragem para os cabos verticais que irão conectar o deck ao cabo de suporte.
  

Construção do convés

• 6 Após os cabos verticais serem conectados ao cabo de suporte principal, a estrutura do deck pode ser iniciada. A estrutura deve ser construída em ambas as direções das torres de suporte na taxa correta, a fim de manter as forças nas torres equilibradas em todos os momentos. Em uma técnica, um guindaste móvel que rola sobre o cabo de suspensão principal levanta as seções do convés para o lugar, onde os trabalhadores as prendem às seções colocadas anteriormente e aos cabos verticais que pendem dos cabos de suspensão principais, estendendo o comprimento concluído. Alternativamente, o guindaste pode repousar diretamente no convés e avançar conforme cada seção é colocada.

Acabamento

• 7 Quando a estrutura do deck está completa, ela é coberta com uma camada de base (por exemplo, placas de aço) e pavimentada. Pintar as superfícies de aço e instalar linhas elétricas para iluminação são exemplos de outras etapas de acabamento. Além disso, são iniciados os procedimentos de manutenção contínua. Por exemplo, uma equipe permanente de 17 ferreiros e 38 pintores continua a trabalhar diariamente na ponte Golden Gate, substituindo rebites e outros componentes de aço corrosivos e retocando a pintura que protege a ponte.

O Futuro

Cada ponte pênsil é projetada exclusivamente, com atenção dada à função e estética. Novos materiais podem ser usados, ou mesmo desenvolvidos, para tornar a ponte menos volumosa e mais eficiente. E designers inovadores às vezes criam soluções incomuns para seus desafios. Por exemplo, o projeto aprovado em 1998 para substituir o vão leste da ponte San Francisco-Oakland Bay que foi severamente danificada por um terremoto de 1989 é uma ponte suspensa sustentada por apenas uma torre. Seus cabos principais são ancorados, não nas fixações maciças descritas acima, mas na estrutura de suporte do convés da própria ponte.

Talvez os planos mais ambiciosos atualmente em desenvolvimento para uma nova ponte suspensa sejam aqueles que ligam a Sicília ao continente italiano. Como as torres de apoio terão que ser construídas em margens opostas do Estreito de Messina, o vão principal terá 9.500-10.800 pés (2.900-3.300 m) de comprimento. Um projeto proposto usa torres com 1.312 pés (400 m) de altura. Os desenvolvedores esperam construir a ponte em 2006.