“Todos os componentes estruturais em engenharia – desde um clipe de papel até um automóvel – podem falhar”, garante o professor da Escola Politécnica (Poli) da USP Cláudio Ruggieri.
O pesquisador do Núcleo Avançado em Mecânica da Fratura e Integridade Estrutural ressalta que mesmo construções que envolvem altas tecnologias, como grandes plataformas de produção de óleo e gás natural, aviões e reatores nucleares, estão sujeitas a defeitos estruturais – e são estes problemas o foco de estudo de sua equipe.
É interesse da engenharia desenvolver métodos que possam tornar as estruturas mais seguras – em outras palavras, sem que elas apresentem falhas prematuras. O laboratório, que segue uma linha estrutural de pesquisa, funciona em duas grandes vertentes, como lembra o professor. “Temos uma capacidade computacional muito grande de fazer simulações numéricas de estruturas e de grandes componentes e temos uma vertente experimental que é laboratorial”. A segunda atua como um ensaio em pequena escala – afinal, a reprodução laboratorial de um grandes estruturas acarreta altos custos, além de exigir alta capacidade dos equipamentos utilizados.
“É muito difícil, muito complexo e oneroso, por exemplo, fazer um ensaio de um componente de um navio em laboratório”, conta. “O laboratório precisaria ser de dimensões muito grandes, então o que nós fazemos é replicar uma parte daquele comportamento no laboratório”, mas reconhece que esta maneira – apesar de eficaz – traz uma série de limitações recorrentes em diversas áreas da engenharia que atuam a partir de estudos em pequena escala.
O problema é mais embaixo
Uma das linhas mais investigadas pelo núcleo, o “carro chefe”, como ressalta Ruggieri, é a avaliação de integridade nas tubulações submarinas. As pesquisas são realizadas a partir de uma interação do grupo com a Petrobrás – em particular aquelas ligadas a projetos do pré-sal.
“A questão toda [da extração em águas profundas] é que existem desafios tecnológicos muito grandes”, reconhece o professor. Entre eles está o lançamento de dutos submarinos de transporte do petróleo, a “cabeça do poço”, que faz a conexão entre os tubos inseridos na terra e os suspensos no mar. “O óleo e o gás é conduzido da cabeça do poço até a plataforma”. Outra dificuldade é o transporte dos recursos para a terra firme, realizado por navios devido à distância da costa.
A solda, como explica Ruggieri, é também um dos pontos fracos destas estruturas. O método de fusão que atua como uma cola entre as partes, por exemplo, dos tubos de transporte, pode se romper com maior facilidade. “Hoje nós temos um grande projeto de pesquisa em que nós conseguimos estabelecer melhores condições para o lançamento destes tubos”, garantindo assim maior segurança durante todo o processo. Afinal, estar a quase dois quilômetros da superfície torna difícil a viabilização de quaisquer reparos.
Além do mar
O estudo das estruturas não se limita às aplicações em navios e plataformas de petróleo – apesar de ser esta a principal atividade do núcleo. Ruggieri se orgulha em apresentar estudos que desenvolve acerca das estruturas presentes em usinas nucleares – que, devido aos perigos da exploração deste tipo de energia, devem ser ainda mais resistentes às falhas.
Para a obtenção da energia, deve haver uma reação com o urânio enriquecido que acaba por bombardear as paredes internas do reator nuclear. Este bombardeamento degrada o material.
Em seu projeto, Ruggieri busca – junto a pesquisadores norte-americanos – desenvolver uma metodologia para avaliar a degradação destas estruturas, em pequena escala. Amostras de material são retiradas periodicamente dos reatores para a análise das avarias. Com os resultados, o professor espera poder contribuir para o desenvolvimento do programa nuclear brasileiro.
Avanços nesta área são importantíssimos, para o pesquisador, tanto pela escassez de recursos que o país enfrenta, quanto pelo aumento da demanda energética do país. Segundo explica ele, a Marinha Brasileira já desenvolve pesquisas nucleares avançadas e o Brasil detém grandes reservas de urânio que podem ser exploradas para produção de energia. Ruggieri garante que, a partir das tecnologias mais recentes, o país já tem condições de desenvolver tal produção energética com elevado nível de segurança.
A natureza no computador
Para driblar a complexidade de se reproduzir fielmente as situações a que estruturas possam estar sujeitas na natureza, o laboratório desenvolve estudos, a partir de softwares e simulações computadorizadas, que conseguem de maneira eficaz realizar o que não pode ser feito em laboratório.
Um grande navio que transporta petróleo, por exemplo, está sujeito tanto ao atrito das ondas do mar, quanto a variações de temperatura, além de poder acidentalmente atingir alguma plataforma. Reproduzir toda essa complexidade em um ambiente controlado pode tornar a pesquisa inviável, então, a partir do método de análise por elementos finitos, o Núcleo consegue – de maneira bastante sofisticada – realizar simulações numéricas em larga escala. “A ideia básica é dividir este corpo de prova em milhões de pedacinhos”, explica. “A partir dos cálculos numéricos bastante pesados é possível conseguir simular exatamente o que está acontecendo”.
Para a realização destes cálculos e simulações, o professor ressalta a importância de ter à disposição grandes computadores. As máquinas devem ser rápidas e robustas para darem conta destas simulações computacionais. O núcleo, por exemplo, já tem a capacidade de realizar esse tipo de cálculo e construir estas simulações mais complexas.