Como as pontes ferroviárias suportam carga: quatro projetos

Uma ferrovia precisa cruzar rios, e rios raramente esperam por um lugar conveniente. O mesmo rio pode exigir um vão curto num ponto e um muito longo em outro, então os engenheiros têm um pequeno conjunto de projetos para escolher. Todos fazem o mesmo trabalho: levar o peso de um trem e transmiti-lo com segurança ao solo nas duas margens.

Duas forças e nenhuma outra

Desmonte qualquer ponte e restam apenas dois tipos de força interna. Compressão comprime um material; tração o puxa. Pedra, tijolo e concreto são fortes à compressão e fracos à tração. O aço é forte nos dois, mas uma peça longa e esbelta de aço sob compressão pode flambar, enquanto a mesma peça sob tração não. Cada tipo de ponte é uma forma diferente de arranjar essas duas forças.

Viga: a resposta mais simples

Uma viga, ou longarina, é um tabuleiro rígido apoiado em cada extremidade. Sob carga ela se curva um pouco, o que comprime a parte de cima e traciona a de baixo. Como o material perto do meio da altura faz pouco trabalho, longarinas reais colocam o aço no topo e na base, em forma de I ou de caixa oca. Vigas são baratas de construir e fáceis de inspecionar, e dominam travessias curtas, tipicamente de algumas dezenas de metros. Vencer mais que isso exige uma viga mais profunda e pesada, e o peso da própria viga logo se torna a maior parte da carga. Vigas caixão contínuas, que passam por vários apoios, estendem a faixa para 100 metros ou mais.

Arco: deixe a forma fazer o trabalho

Um arco transforma a carga para baixo numa compressão ao longo de sua curva, e essa compressão empurra lateralmente nos pés assim como para baixo. O solo ou os encontros precisam resistir a esse empuxo lateral. É por isso que arcos combinam com desfiladeiros de rocha, e por que construtores romanos e vitorianos podiam usar pedra, que é fraca à tração mas excelente à compressão. Arcos de aço alcançam vãos muito maiores: a Ponte Sydney Harbour, que transporta trens além do tráfego rodoviário, tem um vão principal em arco de 503 metros.

Treliça: só triângulos

Um triângulo não muda de forma sem que um de seus lados mude de comprimento, então uma estrutura de triângulos é rígida com muito pouco aço. Numa treliça, cada barra é tracionada ou comprimida ao longo do seu comprimento, e nada precisa se curvar. Isso torna as treliças leves para a sua rigidez, por isso a era ferroviária do ferro e do aço produziu tantas delas, de vãos curtos aos grandes balanços. A Ponte Forth, na Escócia, inaugurada em 1890, tem dois vãos principais em balanço de 521 metros cada. É uma estrutura em treliça e ainda transporta trens pesados hoje.

Os rios decidem qual destes uma linha precisa. Nosso texto sobre por que as ferrovias seguem os rios explica por que as linhas chegam até lá em primeiro lugar; a travessia é o preço. Em Valley Rail: Magnata de Trens você arrasta trilhos de cidade em cidade e cruza o rio numa ponte de um dos cinco estilos, que é a mesma escolha que engenheiros enfrentam na vida real, só que com menos aço.

Pênsil: os maiores vãos

Uma ponte pênsil pendura o tabuleiro em tirantes verticais presos a cabos principais, que passam sobre torres altas e são ancorados firmemente em cada extremidade. Os cabos carregam a carga em pura tração, e a tração é a forma mais eficiente de usar aço, então nenhum outro tipo chega tão longe. A Golden Gate Bridge tem um vão principal de 1,280 metros, e a Akashi Kaikyo, no Japão, 1,991 metros. Ambas são pontes rodoviárias.

Por que as ferrovias raramente usam pênseis

A mesma flexibilidade que torna uma ponte pênsil econômica é um problema para os trens, por três razões ligadas entre si.

1. A carga é pesada e concentrada. Um trem de carga pesa muito mais por metro que o tráfego rodoviário, e se apoia em poucos eixos. Num vão longo de cabo, um trem pesado é grande parte da carga total, então o cabo se reconfigura em torno dele.
2. A via precisa de um traçado suave. O tabuleiro cede sob o trem e sobe à frente dele, então as rodas estão sempre subindo uma pequena colina local. Ferrovias medem rampas em frações de porcento, como em nosso texto sobre a rampa máxima, então até uma pequena depressão custa força de tração real e uma marcha áspera.
3. A repetição desgasta. Cada trem flexiona o tabuleiro, os pendurais e os cabos mais uma vez. Treliças e longarinas rígidas deformam-se muito menos, e uma treliça de enrijecimento sob o tabuleiro é o que permite que as poucas pontes pênseis para trilhos funcionem.

Por isso uma travessia ferroviária longa costuma ser uma treliça, uma viga caixão, um arco ou um projeto estaiado, que é mais rígido que uma ponte pênsil verdadeira. Quanto mais pesado o frete, mais forte o argumento. Para o tráfego em si, veja como funcionam as cadeias de frete.