O Sistema de Monitorização de Base Óptica da Ponte da Lezíria

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1 O Sistema de Monitorização de Base Óptica da Ponte da Lezíria Carlos Rodrigues Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Civil LABEST, Porto Carlos Félix Instituto Superior de Engenharia do Porto / LABEST, Porto Armindo Lage Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Porto Joaquim Figueiras Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Civil LABEST, Porto RESUMO No presente trabalho apresenta-se o sistema de monitorização estrutural de base óptica implementado na Ponte da Lezíria no Carregado. Este sistema permite a monitorização contínua e automática de flechas a meio vão, de extensões e curvaturas, bem como, de temperaturas representativas. Neste âmbito, descreve-se a tecnologia óptica adoptada e os transdutores desenvolvidos para responder às necessidades específicas colocadas por esta obra. Apontam-se igualmente os principais aspectos relacionados com a concepção do sistema e a arquitectura adoptada. Por último ilustram-se as potencialidades do sistema em funcionamento, focando alguns resultados recolhidos desde a abertura da ponte ao tráfego rodoviário. PALAVRAS-CHAVE Ponte da Lezíria, Monitorização Estrutural, Fibra Óptica, Sensores de Bragg 1. INTRODUÇÃO O constante surgimento de novas construções com aspectos inovadores nomeadamente no que diz respeito à sua dimensão, à utilização de novos materiais, novas práticas de análise e regulamentação, bem como, a necessidade de uma gestão integrada da manutenção das infraestruturas, leva a uma crescente procura de medidas adicionais de controlo do respectivo comportamento estrutural e segurança, servindo a monitorização estrutural de meio para obtenção de informação quantificada e fidedigna para esse fim. Paralelamente, o actual estado do património construído nos países desenvolvidos, onde emergem cada vez mais estruturas envelhecidas, muitas vezes sobrevivendo a longos períodos sem um plano sustentado de manutenção, encontra igualmente na monitorização estrutural um meio adicional capaz de fornecer informação relevante com vista à avaliação efectiva do seu comportamento, da sua integridade e segurança e um instrumento de apoio à adopção de medidas eficientes de manutenção, reforço e substituição. No contexto exposto, os sistemas de monitorização estrutural têm evoluído para soluções economicamente vantajosas e constituem uma fonte de informação de máximo interesse com potencialidades cada vez mais diversas [1].

2 O desenvolvimento e aplicação na Engenharia Civil de sistemas de monitorização baseados em Fibra Óptica tem vindo a crescer nos últimos anos. Este facto deve-se, em muito, às vantagens apresentadas por estes sistemas quando comparados com os sistemas convencionais, nomeadamente, dimensões reduzidas, precisão elevada, imunidade a campos electromagnéticos, capacidade de serem inseridos em redes de sensores de grande extensão com possibilidade de adopção de esquemas de multiplexagem, apresentando ainda uma resposta linear à extensão e à temperatura num campo amplo de medição [2]. Apresenta-se, ao longo deste trabalho, os principais aspectos relacionados com a concepção e implementação de um sistema avançado de monitorização estrutural de base óptica na Ponte da Lezíria no Carregado. 2. A PONTE DA LEZÍRIA A Ponte da Lezíria, inserida no Sublanço A1/Benavente da A10 Auto-Estrada Bucelas / Carregado / IC3, constitui a mais recente travessia sobre o Tejo, no Carregado. Esta obra de arte, inaugurada em Julho de 2007, apresenta uma extensão total de 970m, dividida em vãos parciais aproximados de x m [3]. Ilustram-se, nas Figs 1 e 2, alguns aspectos gerais caracterizadores desta estrutura. Figura 1. Alçado geral da Ponte da Lezíria. A ponte apresenta um tabuleiro único em caixão monocelular de betão armado préesforçado, com aproximadamente 30m de largura total e altura variável entre 8m no apoio e 4m a meio vão e junto aos pilares de transição. As grandes consolas laterais são apoiadas em escoras metálicas que descarregam na laje de fundo do caixão. Os pilares são constituídos por duas lâminas de betão armado, sendo, cada uma destas lâminas, por sua vez dividida em duas por intermédio de um vazio central. A ligação do tabuleiro aos pilares P1 a P5 é monolítica, enquanto que nos pilares P6, P7 e de transição (PTN3 e PTS1) essa mesma ligação dá-se por intermédio de aparelhos de apoio do tipo panela guiados longitudinalmente. As fundações são indirectas por intermédio de grupos de estacas. Figura 2. Ponte da Lezíria. 3. GRANDEZAS MEDIDAS E SENSORES UTILIZADOS 3.1 Aspectos gerais A Ponte da Lezíria no Carregado encontra-se dotada, ao nível da sua super-estrutura, de um sistema de monitorização estrutural baseado na tecnologia das fibras ópticas, designadamente em sensores de Bragg. Este sistema desenvolve-se em paralelo com os restantes sistemas de monitorização de base eléctrica instalados na estrutura e permitirá acompanhar o comportamento da obra durante a fase de exploração, designadamente na medição de extensões no tabuleiro, flechas estruturais e temperaturas.

3 Dentro das tecnologias ópticas disponíveis, foram adoptados sensores em fibra óptica baseados na modulação do comprimento de onda da luz reflectida, designadamente sensores de Bragg. Os sensores de Bragg baseiam-se na possibilidade de fotoinduzir, numa pequena extensão do núcleo da fibra óptica, uma modulação permanente no respectivo índice de refracção. Com o princípio de funcionamento esquematizado na Fig. 3, o sensor de Bragg actua como um espelho selectivo que reflecte apenas os feixes luminosos com um determinado comprimento de onda que satisfaz a condição de Bragg. Inerente à condição de Bragg, variações da deformação ou variações da temperatura conduzirão a alterações no comprimento de onda central reflectido pelo sensor. A restante porção do espectro de luz atravessa o sensor de Bragg sem sofrer qualquer alteração [4]. Um sistema de monitorização de base óptica com sensores de Bragg permite a transmissão e interrogação, em simultâneo, de sinais provenientes de diferentes sensores através de uma única fibra óptica. Existem, neste aspecto, diversas técnicas de multiplexagem que permitem que os diferentes sinais sejam conduzidos por uma via comum mas posteriormente identificados e interrogados separadamente, permitindo acompanhar o comprimento de onda central da luz reflectida por cada sensor ao longo do tempo. Ainda na Fig. 3 representa-se esquematicamente as duas técnicas de multiplexagem contempladas no sistema de monitorização da Ponte da Lezíria, designadamente a multiplexagem espacial (WDM) com recurso a sensores de Bragg com comprimentos de onda central distintos e a multiplexagem temporal (TDM) com recurso a um comutador óptico de 1xN canais em que cada fibra é lida em sequência [2, 4]. b) a) c) Figura 3. Sensores de Bragg: a) princípio de funcionamento; b) multiplexagem temporal (TDM); c) multiplexagem espacial (WDM). Com vista à aplicação na estrutura dos sensores de Bragg e com vista à medição das grandezas físicas representativas do comportamento estrutural foram desenvolvidos e instalados transdutores de caracteristicas e desempenho adequado e internamente munidos das respectivas redes de Bragg. Introduz-se de seguida os principais parâmetros medidos bem como os transdutores utilizados para o efeito. 3.2 Medição de extensões A medição de extensões no tabuleiro da ponte é realizada por via de transdutores de deformação de base óptica embebidos no betão. Este sistema de monitorização alberga um total de 15 secções críticas, designadamente todos os meios vãos e secções junto aos pilares. Em cada secção instrumentada encontra-se, por sua vez, instalado, pelo lado interior do caixão, dois transdutores de deformação, um localizado na laje superior e o outro na laje inferior do caixão, perfazendo, deste modo, um total de 30 transdutores de deformação de base óptica em funcionamento [5].

4 Os transdutores de deformação utilizados foram desenvolvidos pelo LABEST/FEUP para a especificidade desta obra, tendo-se procedido à sua análise e calibração em período prévio à sua instalação em obra. Estes transdutores são constituídos, de forma sumária, por um corpo em aço inox maciço criteriosamente nervurado, por duas cabeças de ancoragem nas extremidades e pelas fibras ópticas contendo sensores de Bragg alinhadas longitudinalmente com o varão, na zona central, na superfície do respectivo corpo do varão. Uma precisão de 1με pode ser obtida com este transdutor na medição de extensões. Na Fig. 4 representa-se esquematicamente o elemento sensor em apreço. Porca M16+ Anilha Rosca Prof. Variável* TOTAL Varão Ø16 (L =1000mm) Sensor de Bragg Porca M16+ Anilha Rosca Prof. Variável* Figura 4. Transdutor de deformação de base óptica. Adoptou-se uma duplicação de extensómetros ópticos em cada cabeça sensora de forma a permitir, de forma esporádica e sempre que necessária, uma redundância absoluta na leitura de deformações de cada secção instrumentada. Todavia, durante a fase de exploração apenas um extensómetro será utilizado. Procurou-se ainda desenvolver um transdutor com geometria e propriedades mecânicas capaz de caracterizar correctamente a deformação média instalada ao longo da extensão do transdutor, prevendo-se ainda um comportamento satisfatório em caso de fendilhação moderada do betão. Na zona central da cabeça sensora, onde se encontram alojados os sensores de Bragg, foi deixado um pequeno negativo na laje de betão do respectivo caixão acessível para futura inspecção. Este negativo permite, por um lado, acondicionar as fibras ópticas e respectivas conectorizações e, por outro lado, permite, em qualquer fase, aceder aos sensores ópticos para inspecção ou manutenção. Na Fig. 5 apresentam-se alguns aspectos gerais da instalação e do arranjo final dos sensores de deformação instalados na obra. Figura 5. Instalação dos transdutores de deformação de base óptica. 3.3 Medição de Flechas A medição das flechas decorre sem qualquer referência física ao solo e apresenta um princípio de funcionamento baseado num nivelamento hidrostático e na aplicação do princípio dos vasos comunicantes a um circuito hidráulico interno, cheio de água, que percorre longitudinalmente toda a ponte e contempla todos os pontos interessados. Este circuito hidráulico, encontrando-se em equilíbrio hidrostático, permite acompanhar a deformada da estrutura (e do próprio circuito solidário com esta) por via do

5 acompanhamento de variações da altura aparente do nível de água nos pontos em causa, relativamente a pontos de referência imunes a deslocamentos verticais. Nas secções onde se pretende medir os respectivos deslocamentos verticais encontram-se, desta forma, instalados transdutores de base óptica com elevado rigor e estabilidade na medição de níveis hidrostáticos. Estes transdutores para medição de flechas foram desenvolvidos pelo LABEST/FEUP, tendo-se procedido também à sua análise e calibração em período prévio à sua instalação em obra. Cada transdutor encontra-se, na sua arquitectura interna, munido de dois sensores de Bragg de comprimento de onda distintos, potenciando a sua ligação numa rede integrada de mais transdutores. Os transdutores instalados apresentam uma precisão da ordem de 0.2mm num campo de medida total de 200mm. Apresentam ainda elevada estabilidade ao longo do tempo e auto-compensação dos efeitos da temperatura sobre o sensor. Neste último ponto referese que a ponderação do sinal dos dois sensores de Bragg internos permite eliminar os efeitos térmicos sobre o transdutor e isolar o sinal decorrente da variação da respectiva posição altimétrica relativa. Com a metodologia exposta são medidas as flechas da estrutura a todos os meios vãos, perfazendo 8 pontos de medição. São ainda utilizadas como referência e como meio de controlo do sistema as medições realizadas sobre o PTN3, P2 e P7 [5]. Figura 6. Transdutores de flechas de base óptica. 3.4 Medição de Temperatura Com o sistema de monitorização de base óptica são ainda medidas a temperatura em 10 pontos criteriosamente seleccionados [5]. Esta informação permite, por um lado, caracterizar as condições ambientais a que a estrutura se encontra efectivamente sujeita. Por outro lado, a medição de temperaturas representativas junto aos transdutores de deformação permite a compensação da sensibilidade das redes de Bragg à temperatura, constituindo um aspecto essencial para a correcta avaliação das restantes grandezas observadas. 4. ARQUITECTURA DA REDE DE SENSORES A rede de sensores desenvolve-se ao longo de toda a ponte, envolvendo uma extensão de cabo óptico de cerca de 1250m associado a 16 pontos repartidos de ligação. A rede óptica serve, deste modo, todos os sensores de Bragg multiplexados quer no tempo quer no espaço e a medir grandezas distintas, designadamente 30 sensores de deformação, 11 sensores de deslocamento vertical e 10 sensores de temperatura. A configuração da rede é ramificada com ponto central sobre o pilar P2 onde se encontra alojado o equipamento de interrogação e armazenamento de dados de todo o sistema sensorial baseado em fibras ópticas (Posto de Observação Óptico). Este posto é constituído por um sistema de interrogação de sinal óptico de 4 canais, um comutador óptico de 1x8 canais e uma unidade CPU do tipo industrial.

6 Na Fig.7 representa-se de forma esquemática a arquitectura geral da rede óptica de sensores instalada na ponte da Lezíria. Figura 7. Configuração esquemática da rede de sensores ópticos. Um cabo óptico, incorporando por sua vez seis fibras ópticas, percorre longitudinalmente o interior do caixão da ponte em calha técnica situada a meia altura junto à alma de montante do caixão. A derivação da fibra óptica dos cabos para o respectivo sensor dá-se ao nível das secções transversais no interior de caixas de derivação especificamente destinadas para esse efeito. Estas caixas de derivação perfazem um total 16 unidades distribuídas por outras tantas secções: 7 sobre os pilares da Ponte (P1 a P7), 8 a meio de cada um dos vãos e outra no encontro do lado Norte (PTN3). Tratando-se da medição de grandezas diferentes, estes sensores encontram-se também agrupados em fibras ópticas distintas: 3 fibras para os transdutores deformações; 5 fibras para os transdutores de flechas e para as temperaturas. São adoptados simultaneamente, dentro de cada fibra, esquemas de multiplexagem espacial em série englobando um máximo de 10 sensores com comprimentos de onda de referência distintos. A composição apresentada conduz, neste caso concreto, a uma disponibilidade de 3 canais ópticos obtidos directamente no interrogador óptico para ligação de 3 séries de transdutores (transdutores de deformação) podendo atingir frequências de aquisição máximas de 500 Hz. Procede-se ainda a uma multiplexagem temporal do quarto canal do interrogador por intermédio de um comutador óptico de 1x8 canais. Esta última divisão permite a ligação dos restantes transdutores (transdutores de flechas e temperatura), limitando-se a frequências de aquisição significativamente mais baixas (natureza estática). Por último, importa referir que o presente sistema de monitorização encontra-se enquadrado numa rede de comunicação que engloba os vários sistemas distribuídos de aquisição e digitalização de dados provenientes dos restantes sensores eléctricos, permitindo a interligação de todos os postos de observação locais a um posto de observação central (POC). Esta rede de comunicação, também em fibra óptica, encontrase, para o efeito, instalada na presente estrutura bem como nos viadutos de acesso também monitorizados. Os dados recolhidos na obra são enviados para um servidor localizado na BRISA, sendo inseridos numa base de dados. Uma aplicação web permite posteriormente o acesso aos dados a partir de um qualquer PC.

7 5. POTENCIALIDADES A Travessia do Tejo no Carregado foi dotada de um sistema de monitorização de base óptica, em paralelo com um sistema de monitorização de base eléctrica, que irá acompanhar o seu comportamento durante a fase de exploração da obra. Propõe-se a medição de extensões e de forma indirecta de curvaturas do tabuleiro, bem como, de flechas a meio vão e temperaturas de forma automática e permanente ao longo do tempo. A monitorização estrutural de base óptica decorre segundo dois modos de funcionamento previamente programados de acordo com o preconizado no Quadro 1. Prevê-se, deste modo, a existência de um modo de aquisição normal segundo o qual o sistema procede à aquisição de dados de todos os sensores com uma periodicidade de 15 minutos. A monitorização prevista tem como objectivo a caracterização do comportamento diferido da estrutura, nomeadamente os efeitos decorrentes da retracção e fluência dos materiais estruturais. Estes fenómenos ocorrem de forma contínua e lenta, implicando uma monitorização de longa duração. Grandeza Quadro 1. Frequência de aquisição e modos de funcionamento. Frequência Aquisição Modo Normal Modo Rápido Deformação 1/15min até 500 Hz Flechas + Temperatura 1/15min até 0.5Hz Complementarmente e de forma esporádica no tempo é possível accionar um modo de funcionamento rápido, no qual a frequência de aquisição poderá ser incrementada para valores que poderão ir até 500Hz na medição de extensões e 0.5Hz na medição de flechas. Com este modo de funcionamento potencia-se a caracterização do comportamento estrutural perante ensaios de carga, bem como, a medição desse mesmo comportamento decorrente de solicitações de tráfego corrente. Dada a natureza destas acções, estas justificam a adopção de frequências de aquisição significativamente superiores, compatíveis com a natureza dos fenómenos que se pretende caracterizar. Na Fig.8 ilustra-se o desempenho do presente sistema de monitorização associado aos supracitados modos de funcionamento. Desta forma, ilustra-se uma amostra temporal da medição de flechas de forma contínua e prolongada no tempo (modo normal). Da mesma forma, ilustra-se um registo de linhas de influência, nas oito secções de meio vão (fibra superior e fibra inferior), obtidas durante a passagem de um veículo em condições normais de circulação (pesado a circular a uma velocidade média de cerca de 80 km/h). Vão 1 Vão 2 Vão 3 Vão 4 Vão 5 Vão 6 Vão 7 Vão 8 a) b) Figura 8. Resultados: a) evolução de flechas no tempo (vão 1); b) linhas de influência de extensões na secção central dos vãos.

8 Destaca-se ainda a redundância deste sistema relativamente ao sistema eléctrico constituído por sensores de deformação de cordas vibrantes instalados em algumas secções da ponte. Esta redundância potencia a confrontação directa das diversas medições e permitirá aumentar significativamente a robustez e fiabilidade de todo o sistema de monitorização. 6. CONCLUSÕES Apresentou-se o sistema de monitorização de base óptica instalado na Ponte da Lezíria focando aspectos específicos associados a uma tecnologia cada vez mais emergente baseada em sensores em fibra óptica designadamente em redes de Bragg. Este sistema tem por objectivo principal prolongar a vida útil desta importante infra-estrutura rodoviária e sustentar a sua utilização em condições de segurança e de economia. Neste contexto, mede-se a deformação ao nível das lajes superior e inferior do tabuleiro da ponte por intermédio de um par de transdutores de deformação embebidos no betão localizados no seu alinhamento médio. Complementarmente são medidas as flechas de todos os meios vãos da ponte. Desenvolveram-se transdutores específicos para medição das grandezas em causa. Com o sistema avançado de monitorização exposto, atendendo ao facto da frequência de aquisição poder ir até 500 Hz torna-se possível obter o traçado de linhas de influência quer de extensões quer de curvaturas, com a passagem de veículos em circulação normal. Complementarmente, embora de carácter estritamente estático, propõe-se acompanhar a evolução da deformada global da estrutura por medição directa de flechas a meio vão. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao consórcio construtor TACE ACE e à Brisa a colaboração e o apoio prestado. Agradece-se igualmente ao Eng. Helder Sousa (FEUP-LABEST) o apoio prestado na instalação do presente sistema de monitorização. O primeiro autor agradece ainda o apoio financeiro concedido pela FCT e pela Newmensus, Lda na forma de uma bolsa de doutoramento em empresa SFRH/BDE/15645/2006. REFERÊNCIAS [1] ANSARI, F. Sensing issues in civil structural health monitoring Springer. xix, 527 p. ISBN [2] FÉLIX, C. Monitorização e análise do comportamento de obras de arte. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, p. Tese de Doutoramento. [3] COBA-PC&A-CIVILSER-ARCADIS A) Memória Descritiva e Justificativa. Volume II Ponte sobre o Rio Tejo. Projecto de Execução da Ponte sobre o Rio Tejo e dos Viadutos de Acesso. Empreitada de Concepção, Projecto e Construção da Travessia do Tejo no Carregado, no sublanço A1/Benavente, da A10 Auto-Estrada Bucelas/Carregado/IC [4] Yu, F.; Yin, S. Fiber optic sensors New York: Marcel Dekker, x, 494 p. ISBN X. [5] Figueiras, J. [et al.] Construção da Travessia do Tejo no Carregado Sublanço A1/Benavente, da A10 Auto-Estrada Bucelas/Carregado/IC3: Projecto Executivo Monitorização Estrutural e de Durabilidade. NewMensus/LABEST-FEUP, 2007.