Características de fratura de antifissuras em materiais altamente porosos

Mesmo uma única pessoa na neve pode exercer pressão suficiente sobre ela para fazer com que uma camada fraca de neve enterrada entre em colapso e a cobertura de neve deslize para longe. Neste caso, os especialistas falam de antifissuras. As propriedades fundamentais da fratura que podem levar a avalanches de placas poderosas ainda são amplamente desconhecidas, mas cruciais para prever com precisão quando as avalanches ocorrerão.

No diário Comunicações da Naturezapesquisadores liderados pelo cientista da TU Dr.-Ing. Philipp Rosendahl estão agora apresentando um método inovador que permite que a tenacidade à fratura de camadas de neve fracas seja medida em campo sob condições controladas.

“Nosso estudo foi motivado pelos últimos avanços na pesquisa de avalanches, que foram impulsionados por novos estudos experimentais e numéricos. Eles nos forneceram novos insights sobre o processo fundamental de fratura responsável por desencadear a avalanche, conhecido como antifissuras em camadas fracas de neve”, diz o Dr.-Ing. Philipp Rosendahl, líder do grupo no Centro de Pesquisa de Neve e Avalanches no Instituto de Mecânica Estrutural e Design no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da TU Darmstadt.

“Apesar desse progresso notável, as propriedades mecânicas fundamentais de fratura de camadas fracas de neve permanecem amplamente desconhecidas. No entanto, tais medições são cruciais para prever com precisão quando as avalanches ocorrerão”, acrescenta Valentin Adam, que desenvolveu a nova e incomum configuração experimental para seu doutorado na TU Darmstadt.

O estudo visa, portanto, fechar essa importante lacuna de conhecimento introduzindo um método inovador que consiste em dois componentes principais: primeiro, o desenvolvimento de uma nova técnica experimental que permite que as antifissuras sejam criadas em camadas de neve fracas no campo sob condições controladas e, segundo, o uso de um modelo mecânico não local para analisar o balanço global de energia no início do crescimento das antifissuras, por meio do qual os pesquisadores podem derivar a tenacidade à fratura das camadas de neve a partir dos dados experimentais.

Os pesquisadores da TU Darmstadt, do Instituto WSL para Pesquisa de Neve e Avalanches (SLF) em Davos e da Universidade de Rostock desenvolveram uma configuração experimental para testar como camadas fracas na neve colapsam sob cargas combinadas de compressão e cisalhamento — a carga característica que causa avalanches.

Para fazer isso, blocos de neve contendo camadas fracas são montados em um trenó e inclinados em vários ângulos. Com a ajuda de pesos adicionais e cortes na camada fraca, um colapso da coluna de neve foi acionado — o anticrack começou a se espalhar de forma instável.

A configuração experimental permitiu determinar pela primeira vez a tenacidade à fratura de camadas fracas sob uma série de condições, desde compressão pura até cisalhamento puro.

Trabalhos anteriores não conseguiram gerar e medir contribuições significativas de cisalhamento para o crescimento de antifissuras (colapso da camada fraca) na neve de maneira controlada.

Os resultados agora publicados mostram que a resistência à propagação de fissuras sob uma carga dominada por cisalhamento é significativamente maior do que com compressão pura — uma observação que os pesquisadores não esperavam inicialmente porque as avalanches ocorrem com mais frequência em terrenos íngremes, onde as cargas de cisalhamento dominam.

No entanto, esse comportamento de fissuração também pode ser observado em outros materiais expostos a uma combinação de cargas de tração e cisalhamento. O que é novo é que a correlação agora também foi demonstrada para cargas de compressão e cisalhamento simultâneas — já que antifissuras ocorrem não apenas na neve, mas também em outros materiais altamente porosos, como rochas sedimentares e espuma metálica.

Os cientistas finalmente conseguiram identificar uma lei de potência que descreve o limite para propagação de trinca sob uma carga mista e afirma se uma trinca se expandirá sob as condições de carga dadas. As descobertas fazem uma contribuição significativa para a compreensão do processo de fratura que leva a avalanches e são essenciais para melhorar as previsões de avalanches.

“Além disso, a compreensão do comportamento de fratura em meios porosos sob compressão é de grande interesse em outras áreas de pesquisa aplicada, como na indústria aeroespacial, onde construções leves são frequentemente submetidas a condições de carga semelhantes”, diz Rosendahl.