laser-scanning e análise

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1 6_10 interfaces estruturais betão-betão aplicações de fotogrametria, laser-scanning e análise multi-espectral no levantamento geométrico e de anomalias em estruturas RESUMO Com o desenvolvimento da fotografia digital e do tratamento digital da imagem, a utilização de métodos ópticos na engenharia de estruturas passou a possibilitar aplicações extremamente interessantes no campo do levantamento geométrico, assim como na área da monitorização de deformações em grandes obras. A sua capacidade de reproduzir volumes e texturas, faz da fotogrametria e do laser-scanning técnicas com enormes potencialidades nesta área. O desenvolvimento de metodologias de aplicação destes métodos em Engenharia de Estruturas tem sido alvo de estudo por parte do grupo Structural Concrete do Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE). Neste artigo, apresentam-se alguns resultados relativos à utilização da fotogrametria na monitorização de deformações em vigas de grande vão. Apresentam-se algumas conclusões relativamente às condicionantes e às potencialidades do método, sendo de salientar o aumento de rapidez e de precisão obtidos e a diminuição de custos, face aos métodos tradicionais. Actualmente, o grupo encontra-se a estudar a possibilidade de associação de análise multi-espectral à metodologia desenvolvida, o que permitirá obter informação adicional relevante relativamente ao estado de conservação das estrutura analisadas, nomeadamente a identificação de determinadas anomalias, a classificação do seu nível de desenvolvimento e o mapeamento automático das mesmas. Jónatas Valença ISISE, DEC FCTUC, Portugal jonatas@dec.uc.pt Eduardo Júlio ISISE, DEC FCTUC, Portugal ejulio@dec.uc.pt Helder Araújo ISR, DEEC FCTUC, Portugal helder@isr.uc.pt 1. INTRODUÇÃO A intervenção numa estrutura existente deve ser sempre precedida de uma inspecção técnica da mesma. Por falta ou incertezas acerca da informação existente, é sempre necessário efectuar um levantamento geométrico da estrutura, o qual se pode revelar particularmente fastidioso. A avaliação do comportamento de estruturas de grande porte, como pontes ou barragens, assim como de elementos estruturais ensaiados em laboratório, implicam a sua monitorização. Nestes procedimentos utilizam-se, habitualmente, métodos topográficos, e LVDTs e inclinómetros, respectivamente. Ambos apresentam desvantagens importantes: os métodos topográficos requerem muito tempo de processamento e/ou podem ser efectuados com pouco rigor e os LVDTs e inclinómetros apenas podem ser posicionados num número restrito de pontos. Quando a estrutura apresenta anomalias, torna-se igualmente necessário proceder à sua observação, medição, registo, análise, diagnóstico, concepção e projecto da intervenção a realizar e respectiva orçamentação. As anomalias típicas de estruturas de betão existentes incluem a carbonatação, o ataque de cloretos, a corrosão, a colonização biológica, entre outras. A metodologia seguida na sua caracterização compreende normalmente o recurso a ensaios in situ, total ou parcialmente destrutivos, e a recolha de amostras e o seu posterior ensaio laboratorial. Esta metodologia requer, regra geral, a inspecção de determinadas zonas da estrutura de difícil acesso e confronta-se com a necessidade de lidar com um grande volume de informação e técnicas, todas elas implicando o recurso a técnicos devidamente qualificados. Este facto torna, igualmente, o processo moroso e vulnerável a erros e à sua propagação. 6_cm

2 > 1 Pontos de controlo no ensaio de rotura: S2 a S10; Pontos de controlo no ensaio diferido: S3, S5, S7, S9 e S10. > 2 Apresenta-se, neste artigo, um estudo experimental sobre o comportamento estrutural de vigas de grande vão em betão de alta resistência pré-esforçado, realizado no âmbito de uma tese de doutoramento [1], no qual os deslocamentos foram monitorizados através de fotogrametria terrestre. Os resultados obtidos foram validados através da comparação com os valores medidos com LVDTs [2]. A utilização da técnica de fotogrametria terrestre apresenta vantagens importantes: rapidez de execução; precisão dos resultados; quantidade significativa de informação obtida (3D); e custos significativamente menores. Dados os bons resultados obtidos e sendo a técnica de laser-scanning uma evolução da fotogrametria tradicional, aliando às vantagens desta a capacidade de marcação e referenciação automática de pontos, a investigação evoluiu no sentido de a incorporar tendo por objectivo último o desenvolvimento de uma metodologia de aplicação de métodos ópticos, como a fotogrametria e o laser-scanning, combinados com a utilização da análise multi-espectral da imagem. A associação destas técnicas permitirá obter modelos mais completos e com informação mais refinada, acrescentando ao levantamento geométrico e aos modelos renderizados, um mapeamento pormenorizado do estado de conservação das estruturas, através da detecção, registo, qualificação e quantificação automática das anomalias existentes. 2. FOTOGRAMETRIA, LASER-SCANNING E ANÁLISE MULTI-ESPECTRAL A American Society of Photogrammetry define fotogrametria como a arte, ciência e tecnologia para obter informação fidedigna acerca dos objectos físicos e sua envolvente através de um processo de gravação, medição e interpretação de imagens fotográficas com base em testes padrão de energia de radiação electromagnética e outros fenómenos [3]. Hoje em dia, com o desenvolvimento da fotografia digital e do tratamento digital da imagem, a fotogrametria, método desenvolvido no início do séc. XIX, apresenta novos campos de aplicação com > Figura 1: Ensaio de rotura. > Figura 2: Esquema de carga e pontos de controlo. cm_7

3 interfaces estruturais betão-betão > 3 Fn (*): n mm de deformação induzida no actuador Fotogrametria Fn: n mm de deformação induzida no actuador LVDTs vantagens relativamente aos métodos tradicionais. Esta técnica permite obter informação tridimensional relativa a objectos, partindo de imagens. Esta transformação implica o conhecimento de alguns parâmetros e pressupostos, tais como: os parâmetros intrínsecos da câmara (distância focal e ângulos de rotação); e informação relativa a, pelo menos, um ponto num sistema de coordenadas global. Os algoritmos utilizados no processamento das imagens e a teoria subjacente baseiam-se nos princípios da geometria da imagem, aliados aos modelos de câmara considerados e à sua calibração [4]. A técnica de laser-scanning tem por base os mesmos princípios matemáticos da fotogrametria, apresentando algumas mais-valias adicionais, atendendo a que alia as vantagens desta com a capacidade de marcação e referenciação automática de pontos por laser. Os campos de aplicação desta técnica incluem arquitectura e engenharias civil, mecânica, industrial, geológica, aeroespacial e naval; astronomia; medicina; arqueologia; operações censitárias e investigação forense [5, 6,7, 8, 9]. A análise multi-espectral da imagem é uma tecnologia originalmente desenvolvida para tratar imagens obtidas por satélite. Permite captar imagens correspondentes a radiação de frequências situadas fora do espectro visível. Este facto possibilita a extracção de informação que o olho humano, preparado para captar imagens com radiação na região do espectro do vermelho, do verde e do azul, não consegue captar. O infravermelho é apenas um exemplo da utilização de comprimentos de onda distintos dos utilizados no espectro visível para obter informação. Alguns trabalhos publicados recorrendo a esta técnica incluem a detecção de anomalias em construções, tais como colonização biológica ou humidade em fachadas de edifícios e o levantamento automático de fachadas com diferenciação dos materiais que a constituem [10, 11, 12]. 3. ESTUDO EXPERIMENTAL Foram realizados ensaios à rotura e diferidos em vigas com 20.0 m de vão em betão de alta resistência pré-esforçado (Fig.1). A evolução dos deslocamentos com o carregamento foi determinada em várias secções das vigas, consideradas como pontos de controlo, utilizando LVDTs [1]: 9 nos ensaios à rotura e 5 nos ensaios de fluência (Fig.2). A configuração deformada das vigas foi obtida através de levantamentos fotogramétricos, realizados durante várias fases dos ensaios, com o objectivo de testar e validar a eficácia da técnica e da metodologia adoptadas na monitorização de deslocamentos, confrontando os resultados obtidos nos pontos de controlo, i.e., onde existia informação obtida por outro processo. Foram colocadas miras de precisão em várias secções das vigas assim como em pontos fixos da área envolvente, nomeadamente, em algumas paredes dos espaços laboratoriais. Na Fig.3, apresenta-se a sobreposição dos valores medidos com os LVDTs e os obtidos através de fotogrametria, para diferentes fases dos ensaios de rotura. Registou-se uma coincidência de valores, com uma diferença média de 1.0%, correspondente, em valor absoluto, a 2.2 mm nos ensaios de rotura e a 0.5 mm nos de fluência. Na Fig.4, apresenta-se dois exemplos da sobreposição de modelos 3D Solid obtidos com os resultados do levantamento fotogramétrico do ensaio. Os ensaios de fluência foram igualmente numericamente modelados, utilizando o método dos elementos finitos (MEF) [13]. A diferença média entre os valores obtidos por fotogrametria e os valores calculados nas 40 miras colocadas no banzo inferior foi de 6.7%. No entanto, excluindo-se da análise troços com 2.5 m das extremidades das vigas, onde o erro é maior, a diferença média é de 2.9%, idêntica à variação de 3.0% registada nos pontos de controlo (Fig.5). Os resultados obtidos na monitorização das vigas demonstram que a fotogrametria é um método viável e fiável e que, > Figura 3: Fotogrametria versus LVDTs Flechas no ensaio rotura. 8_cm

4 embora tenha sido testado na monitorização de ensaios laboratoriais, pode-se considerar que será igualmente adequado à monitorização de estruturas em serviço, especialmente no caso de obras de grande porte como pontes e barragens. Atendendo a que a quantidade de informação é incomparavelmente superior à obtida através dos métodos tradicionais, a ocorrência de um possível incidente não afecta os resultados, contrariamente à situação de avaria dos LVDTs, utilizados sempre em número limitado. Os resultados obtidos no estudo experimental descrito incentivam a prossecução da investigação sobre a aplicabilidade de métodos ópticos, não só no levantamento geométrico de estruturas existentes mas também na caracterização das suas anomalias. A consideração de laser-scanning tem por objectivo a obtenção de mais informação, considerando um número de pontos incomparavelmente superior, e obtidos de forma automática, relativamente > 4 F0: Fase inicial F500: Fase onde se impôs 500 mm de curso ao actuador F0: Fase inicial F700: Fase onde se impôs 700 mm de curso ao actuador à fotogrametria. A consideração de análise multi-espectral tem por objectivo complementar o levantamento de construções existentes, incorporando informação referente ao tipo e nível de anomalias presentes, necessária à sua avaliação, diagnóstico e definição da intervenção a realizar. No momento presente, está em curso um estudo experimental com vista à definição de correlações entre os resultados da análise multi-espectral e as anomalias existentes em estruturas de betão PUB

5 interfaces estruturais betão-betão > Figura 5: Fotogrametria versus LVDTs Flechas no ensaio diferido. armado, no âmbito de uma tese de doutoramento [14]. A metodologia, após testada e calibrada em laboratório, será aplicada a estruturas reais, consideradas como casos de estudo. 4. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS A fotogrametria revelou ser uma técnica aplicável no levantamento de estruturas existentes, bastante eficaz quando comparada com os métodos tradicionais. A metodologia adoptada permite: (1) a realização do levantamento geométrico de construções; e (2) a monitorização do comportamento em serviço de estruturas de grande porte, assim como a monitorização de ensaios laboratoriais. A diferença de precisão entre a fotogrametria e os métodos tradicionais revelou-se insignificante apresentando a primeira várias vantagens relevantes, inigualáveis pelos métodos tradicionais: facilidade de aplicação; rapidez no tratamento dos dados; quantidade e qualidade da informação obtida (3D renderizada); inexistência de limitações físicas, como o limite de curso dos LVDTs; e o baixo custo de utilização. No seguimento do estudo realizado, atendendo aos excelentes resultados obtidos, deu-se início a um novo trabalho de investigação associando a análise multi-espectral da imagem com as técnicas de fotogrametria e laser-scanning. Pretende-se desenvolver uma metodologia que permita efectuar, além do levantamento geométrico rigoroso e a geração de modelos 3D renderizados, o levantamento das anomalias existentes nas estruturas analisadas, incluindo a sua detecção, identificação, quantificação e mapeamento automático. Esta metodologia terá ainda como vantagens: ser totalmente operada in situ, ser verdadeiramente não destrutiva e permitir o levantamento de áreas de difícil acesso. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), através da bolsa de doutoramento com referência SFRH / BDE / / 2007 e à firma Eugénio Cunha & Associados, Lda (EC+A), pelo co-financiamento da mesma. Os agradecimentos são extensivos à empresa ARTESCAN - Digitalização tridimensional, pela colaboração no levantamento com laser-scanning de futuros casos de estudo. REFERÊNCIAS [1] Fernandes, P., Vigas de Grande Vão Pré-Fabricadas em Betão de Alta Resistência Pré-Esforçado Viabilidade, Dimensionamento, Fabrico e Comportamento, Tese de Doutoramento em Engenharia Civil, especialidade de Mecânica das Estruturas e dos Materiais, Universidade de Coimbra, 2006, Coimbra, Portugal. [2] Valença, J., Júlio, E. Araújo, H., Aplicações de fotogrametria na monitorização de estruturas, ICM2007 A Instrumentação Científica e a Metrologia Aplicadas à Engenharia Civil, 5 de Novembro 2007, LNEC, Lisboa, Portugal, p [3] American Society of Photogrammetry (ASP), Manual of photogrammetry.4.ed. Falls Church VA, Chester C., [4] Fu, K.S., Gonzalez, R.C., Lee, C.S.G., Robotics Control, Sensing, Vision, and Intelligence, McGraw-Hill International Edition, [5] Valença, J., Júlio, E., Araújo, H. Aplicações de fotogrametria em engenharia civil, Patorreb º Encontro sobre patologias e Reabilitação de Edifícios, 20 e 21 de Março 2006, FEUP, Porto, Portugal, p [6] Whiteman, T, Lichti, D, Chandler, I, Measurement of Deflections in Concrete Beams by Close-Range Photogrammetry, Symposium on Geospatial Theory, Processing and Applications. Ottawa, [7] Fraser, C, Riedel, B, Monitoring the thermal deformation of steel beams via vision metrology, Published in ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 55 (4): , [8] Gordon, S., Lichti, D., Stewart, P, Franke, J., Structural Measurement using Terrestrial Laser scanners, Proceedings, 11th FIG Symposium on Deformation Measurements, Santorini Greece, [9] Valença, J., Aplicações de fotogrametria à engenharia de estruturas, Dissertação de mestrado em Engenharia Civil, especialidade de estruturas, Universidade de Coimbra, 2006, Coimbra, Portugal. [10]Hemeleb, M., Weritz, F., Maierhofer, Ch., Damage detection on building surfaces with multi-spectral techniques CIPA 2005 XX International Symposium, 26 September 01 October, 2005, Torino, Italy [11] Ruiz, L., Lerma, J, Gimeno, J., Application of computer vision techniques to support in the restoration of historical buildings, Department of Cartographic Engineering, Geodesy and Photogrammetry, Polytechnical University of Valencia, Valencia, Spain. [12] Lerma, J., Automatic Plotting of Architectural Facades with Multispectral Images. Journal of Surveying Engineering, Vol. 131, No. 3, American Society of Civil Engineers, August [13] Costa, D, Comportamento Diferido do Betão: Modelação Numérica do Comportamento de Fluência de Vigas de Betão de Alta Resistência, Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, especialidade de Estruturas, Universidade de Coimbra, 2006, Coimbra, Portugal. [14] Valença, J., Aplicações de laser-scanning e Análise Multi-espectral na Inspecção de Estruturas, Tese de Doutoramento em Engenharia Civil, especialidade de Mecânica das Estruturas e dos Materiais, Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal (em desenvolvimento). 10_cm