Projeto de Engenharia

Utilizando um terremoto simulado, a Universidade de Cornell determinou que um novo tipo de tubulação resistente a terremotos, destinada para Los Angeles, está pronta para o próximo grande desastre.

Imagem em destaque: Margaret Stack, estudante na Faculdade de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Cornell, fez parte da equipe que criou o teste da tubulação resistente a terremotos. A tubulação foi montada e colocada dentro dum dispositivo que pode simular uma ruptura de placas tectônicas
e depois enterrada sob 80 toneladas de solo para simular um cenário real dum terremoto. Cortesia da Universidade de Cornell.

Craig Davis, Ph.D., PE, GE, M.ASCE (Foto), gerente do programa de resiliência da rede de água do Departamento de Água e Energia de Los Angeles (LADWP), se dirigiu a Ithaca, Nova York, no mês passado para obter uma visão em primeira mão de um terremoto simulado.
Nova York pode parecer a um mundo de distância de estado dos terremotos, mas Ithaca é onde está localizada a Universidade de Cornell e sua Instalação de Testagem de Segurança Geotécnica de Larga Escala. Esta instalação é usada para investigar a forma com que estruturas subterrâneas, como tubulações ou galerias de esgoto, podem se distorcer mediante uma ruptura de terras tão extrema quanto à gerada por desastres naturais tais como terremotos.

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Em 2013, Los Angeles iniciou um programa de melhoramento dos seus 11265 km de tubulações de água. Muitas das quais possuem mais um século de idade. O programa faz parte do plano “Resilience by Design”, formulado pela cidade no ano passado para orientar as suas agências na criação de edifícios, infraestrutura de telecomunicações e redes de distribuição de água mais resilientes. Até ao final deste ano, o LADWP planeja ter substituído 53.340 metros da rede principal e 4.000 metros de tubos da linha-tronco de grande diâmetro. Até 2020, planeja-se ter substituído 80.000 metros da rede principal e 6700 metros de tubos da linha-tronco.
O LADWP tem interesse na escolha de tubulações para este projeto de substituição que são tão resistentes a desastres naturais quanto possível: a rede de água da cidade, a maior do país, atravessa mais de 30 falhas sísmicas. Segundo Davis, depois dum grande tremor ou mesmo após alguma atividade sísmica de nível mais baixo, boa parte dos quatro milhões de habitantes de Los Angeles poderia ficar sem água, assim como bombeiros, hospitais e outros serviços públicos. Além disso, Los Angeles está vulnerável a tempestades cada vez mais fortes, furacões e deslizamentos de terra. Todos os dias ocorre pelo menos uma pausa no abastecimento na velha e enferrujada rede da tubulação d’água da cidade, diz Davis.

Então Davis atravessou o país para assistir o terremoto simulado que iria testar o desempenho duma tubulação de aço contínuo que seu fabricante, a empresa com sede em Tóquio JFE Holdings, comercializa como sendo especialmente resistente a quebras causadas por terremotos ou outras forças. Tubulações d’água tradicionais são unidas em seções por uma junta de borracha, caso ocorram grandes movimentações no solo, as articulações podem escorregar e se separar, fazendo com que a água inunde o chão ou vaze para cima. Por esta razão, muitos serviços de abastecimento d’água – especialmente aqueles em áreas propensas a fortes movimentos terrestres – focaram-se em utilizar tubulações resistentes a terremotos que apresentam juntas especialmente desenvolvidas para permitir que o tubo se mova em sincronia com o solo, sem se romper, diz Davis.

Fabricantes deste tipo de tubo incluem:

1. IPEX, Verdun, Quebec;
2. Kubota, Osaka, Japão;
3. U.S. Pipe e American, ambos de Birmingham, Alabama, cada um dos quais têm realizado experiências com o grupo de segurança geotécnica de Cornell.

Mas o sistema da JFE é diferente. Destina-se à utilização em tubagens de transmissão de aço de grande diâmetro, e não possuem segmentos individuais ou juntas que podem ser deslocadas durante um terramoto. Em vez disso, a tubulação apresenta algo que o fabricante chama-se mecanismo de onda, que absorve deformações do solo. Quando o solo muda drasticamente, o recurso acomoda flexões e deformações dos eixos sem uma ruptura da tubulação, Wham explica.
O mecanismo é um material extra que pode ser adaptado para a tubulação em locais onde o rompimento é uma preocupação. O sistema absorve o movimento do solo, concentrando qualquer deformação nos locais que possuem o material extra. Quando o solo muda, a onda vai se curvar e deslocar, em vez de se romper, reduzindo tensões ao longo da tubulação. “O conceito é semelhante canudos de plástico flexíveis que vêm com refrigerantes; o plástico extra é dobrado na área em que se deseja que o canudo dobre, e continua a transportar o líquido independentemente da sua orientação,” Wham explica.
Mesmo com os fabricantes das tubulações realizando testes em seus próprios produtos, serviços públicos que planejem substituir suas tubulações não querem depender inteiramente dos testes dos fabricantes, Davis explica. Os pesquisadores da Universidade Cornell têm trabalhado com serviços públicos de abastecimento d’água em Los Angeles, Seattle, São Francisco, Portland, Oregon e Vancouver, no Canadá, para testar novas e robustas tubulações. “Nossa pesquisa é focada em fazer o abastecimento d’água e outros serviços essenciais resilientes aos desastres naturais e ameaças humanas”, diz O’Rourke.

A Universidade Cornell também desenvolve modelos numéricos para prever a performance das tubulações sob uma variedade de condições, incluindo a deformação do solo causada por terremotos e erosão, e o desgaste das inundações e furacões. Mesmo escavações de construção civil de túneis, por exemplo, podem induzir deformações do solo. Os modelos são usados para auxiliar a desenvolver experimentos para testar e refinar ainda mais os modelos para condições extremas.
“Há um forte interesse em usar modelos de computador para compreender e prever o desempenho da rede de tubulações em desastres naturais”, diz Wham (Foto). “É importante entender como os componentes individuais se comportam e contribuem para a performance da rede como um todo.”

Entendendo o Projeto

Para entender como o tubo contínuo JFE iria resistir durante um terremoto, os pesquisadores colocaram mais de 120 instrumentos de controle a uma seção do tudo de 8,5 metros de comprimento e 20,3 centímetros em diâmetro com dois mecanismos de onda. Essa seção foi colocada de tal forma que simule um risco de rompimento e, em seguida, foi enterrada sob 80 toneladas de solo, diz Wham. Eles usaram uma split box hidráulica – aparelho utilizado para submeter tubulações de larga escala a situações similares à terremotos -para deslocar a tubulação por 60 centímetros ao longo de um ângulo de dobra de 50 graus, forçando a tubulação enterrada a uma combinação de compressão e flexão.
O teste também forneceu outras informações valiosas sobre o desempenho da tubulação. Por exemplo, após o teste da falha sísmica, os pesquisadores escavaram a tubulação e mediram o máximo da deformação, o que pode ajudar a alimentar e melhorar as simulações de computador do laboratório. A partir das informações de deformação geradas durante o teste em larga escala e durante os testes de compressão e flexão preliminares, os pesquisadores podem prever o desempenho dos tubos em várias condições de soterramento e como eles vão se comportar durante eventos sísmicos quando forem colocados no solo em diferentes ângulos. Os resultados vão ajudar as autoridades a identificar onde os mecanismos de onda podem ser instalados em relação ao potencial risco de rompimento para aumentar a resiliência da rede, diz Wham.
“As “ondas” são quase tão longas quanto o diâmetro do tubo”, diz Wham. “Então, ao invés de ter que cavar e remover os tubos em seu comprimento total, as equipes de construção podem fazer uma escavação do tamanho de várias vagas de estacionamento e substituir uma seção mais curta da tubulação com um ou mais mecanismo de onda.”
A importância disso se dá no fato que a substituição tubulações é cara e deve ter suas prioridades definidas em relação a diversos fatores, incluindo o custo da substituição e a idade e condição da tubagem existente, Wham explica. Por exemplo, o LADWP recentemente gastou US $ 10 milhões para substituir seções relativamente curtas em locais pontuais, incluindo 530 metros de tubos de 15 centímetros de diâmetro no bairro Sherman Oaks da cidade e 1.384 metros de tubos de 20 centímetros no Northridge Hospital Medical Center.
Agora, Davis diz, ele pode voltar para Los Angeles confiante que se a cidade escolher utilizar a tubulação de ondas em seus futuros projetos de substituição, os moradores podem ter certeza de que o abastecimento d’água, que é tão crucial para o funcionamento da cidade permanecerá intact, mesmo que aconteça o “grande terremoto”.
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