6. MONITORAMENTO DE ESTRUTURAS

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1 6. MONITORAMENTO DE ESTRUTURAS Érica Santos Matos Regiane Dalazoana Departamento de Geomática Setor de Ciências da Terra Universidade Federal do Paraná -UFPR

2 CONTEXTUALIZAÇÃO A capacidade da engenharia contemporânea de construir grandes estruturas Necessidade de melhor utilização do solo; Obras que causem pouco impacto ambiental; Estruturas que permitem usufruir de locais acidentados; Dimensões grandiosas atrações turísticas; Atender a demanda energética e industrial

3 FONTE: engdofuturo.com.br Usina Hidrelétrica de Itaipu

4 Ponte estaiada Octavio Frias de Oliveira FONTE:

5 Tanque de armazenamento, local desconhecido

6 Usina Hidrelétrica de Salto Caxias FONTE: O autor (2007)

7 Usina Hidrelétrica de Mauá FONTE:

8 Necessidade de monitorar: Segurança Deslocamentos Resposta da estrutura à ações atuantes Estáticas: Peso próprio da estrutura Dinâmicas: Carregamento produzido pelo tráfego Carregamento devido ao vento Abalos sísmicos 8

9 Enfim, o que é monitorar? É a observação e o registro das atividades de um fenômeno ao longo do tempo Processo rotineiro de acúmulo de informações da estrutura em todos os seus aspectos.

10 Porém Deve saber o que é preciso medir para se obter respostas sobre o estado estrutural da obra; Instrumentos que permitam a mínima interferência com a estrutura; Integração de dados oriundos de diversas técnicas; Definição dos deslocamentos a serem medidos com suas respectivas precisões e grau de confiança

11 MÉTODOS DE MONITORAMENTO SZOSTAK-CHRZANOWSKI et al. (2001) dividem o monitoramento de grandes estruturas em duas partes: 1) métodos geotécnicos ou físicos; 2) métodos geodésicos de monitoramento;

12 Fonte: NEVES, 2008 Métodos geotécnicos ou físicos ex. pêndulos, extensômetros, medidores triortogonais de junta Facilidade de automação de medida Permitem o monitoramento contínuo. Mas, o monitoramento é local e relativo. dificuldade na verificação e controle de qualidade dos dados, apenas por comparações independentes

13 Métodos Não Geodésicos de Monitoramento Instrumentos Precisão típica Deformação Inclinômetro de precisão: Inclinômetro de mercúrio Nível eletrônico Talyvel Nivelamento hidrostático: Elwaag 001 Sistema Nivomatic Pêndulo suspenso e invertido 0,0002 0,25 0,5 0,03mm/40m 0,1mm/25m 0,1mm Inclinações Extensômetros (fio ou fita): Distômetro ISETH Distinvar CERN Rock spy Extensômetros (tubo ou vara): Pontos isolados Pontos múltiplos Torpedo Interferômetro a laser 0,05mm 0,05mm 0,02 0,2mm 0,01 0,02mm 0,01 0,02mm 0,1mm 0,0004ppm Extensões deformações e Alinhamento, métodos mecânicos: Linha de aço Linha de nylon Alinhamento ótico Alinhamento com laser 0,1mm 0,035 0,07mm 1 10ppm 0,1 1ppm Alinhamentos Fonte: SANTOS, 1999, p. 60.

14 Métodos geodésicos Diferencial permitem detectar movimentos absolutos (DEPARTAMENT OF THE ARMY (1994), CHAVES (1994)) Vincular as observações um sistema de referência geodésico; permitem verificar os resultados e além de avaliar a exatidão da medição globalmente; fornecem versatilidade e adequabilidade para qualquer meio ambiente e situação de operação.

15 Dois tipos: Rede Relativa: quando todos os pontos da rede estão localizados na área sujeita a deformação/deslocamento. Neste caso só é possível determinar deformações/deslocamentos relativos: 1 ponto em relação ao outro Rede de Referência (absoluta): alguns pontos estão fora da área sujeita a deformação. Neste caso é possível determinar a deformação/deslocamento de cada ponto individualmente.

16 relativa absoluta

17 Métodos geodésicos aplicados em monitoramento de grandes estruturas (1) Terrestres triangulação, trilateração, poligonação, irradiação e nivelamento geométrico. (2) Técnicas espaciais Nas técnicas espaciais as coordenadas dos pontos são determinadas a partir de observações GNSS (Global Navigation Satellite System) (3) Fotogramétricos

18 Métodos Geodésicos de Monitoramento Método Nivelamento geométrico de 1ª ordem Distância com fita de ínvar Precisão possível de ser obtida 0,5mm k 2ppm Poligonação geodésica 1: a 1: Triangulação geodésica 1: a 1: Medição eletrônica de distância Nivelamento trigonométrico GPS VLBI e SLR 0,1ppm a 5ppm 2mm k 1ppm a 0,1ppm 0,01ppm Técnicas fotogramétricas 1:5.000 a 1: Fonte: SANTOS, 1999, p. 59.

19 Triangulação Formação de figuras geométricas a partir de triângulos justapostos ou sobrepostos, formados através da medição dos ângulos subentendidos por cada vértice. V1 base α 1 α 2 α 3 V2 α 8 α 4 α 5 V3 α 7 α 6 V4 V1,..,V4: pontos da rede de monitoramento α1,..., α 8: ângulos medidos Fonte: NEVES, 2008

20 Trilateração Semelhante à triangulação, porém, ao invés de serem observados os ângulos, os lados dos triângulos é que são observados, ou seja, trabalha-se com distâncias V1 l 2 l 1 l 6 V2 l 5 l 3 V3 l 4 V4 V1,..,V4: pontos da rede de monitoramento l1,..., l 8: lados medidos Fonte: NEVES, 2008

21 Poligonação Uma poligonal é uma série de linhas consecutivas para as quais são conhecidos os comprimentos e direções, obtidos através de medições em campo (KAHMEN et al, 1988).

22 Irradiação A partir de um ponto com coordenadas conhecidas Pontos da rede de monitoramento Pontos da poligonal de apoio É necessária a orientação do instrumento e depois são medidos as direções e distâncias para cada ponto a ser monitorado. Fonte: NEVES, 2008

23 Na determinação de coordenadas de pontos de monitoramento pode-se ainda empregar os seguintes métodos Interseção à vante; Recessão espacial; Interseção à ré; Problema de Pothenot;

24 Nivelamento Geométrico Nivelamento que realiza a medida da diferença de nível entre pontos no terreno por intermédio de leituras correspondentes a visadas horizontais, obtidas com um nível, em miras colocadas verticalmente nos referidos pontos

25 Método preciso para a determinação de desníveis. Vantagem minimização de erros causados: pela curvatura terrestre; pela refração atmosférica e; pela não colimação do nível; Em monitoramento a precisão pode atingir qualidade de 1mm k ou superior.

26 Posicionamento por satélite Determinação de coordenadas de pontos na superfície física a partir da observação de satélites que compõe o GNSS. Em condições favoráveis, alcança precisão milimétrica na determinação de coordenadas

27 Gravimetria Consiste de um conjunto de técnicas e operações que têm por finalidade a medida da intensidade da aceleração da gravidade. Ex. em monitoramento pode-se ser utilizada para identificar acomodação de massas

28 EXEMPLO 1 BARRAGEM DA UHE SALTO CAXIAS

29 Fonte: Acervo de Projeto Fonte: Acervo de Projeto

30 Fonte: NEVES, 2008

31 Fonte: Acervo de Projeto Fonte: NEVES, 2008

32 Os pontos de monitoramento são obtidos por irradiação A sensibilidade da detecção de movimentos depende da precisão com a qual é possível determinar as coordenadas do ponto irradiado Pode ser investigada considerando a lei propagação de variâncias Σ Y = GΣ X G T

33 Resultados Preliminares Campanha Agosto de 2005 P6 P2 P4 P5 P1 P3 Pilar Norte Leste δn δe Su Sv Rotação ================================================================================== P P P P P

34 Resultados Preliminares Campanha maio de 2006 P6 P2 P4 P5 P1 P3 Pilar Norte Leste δn δe Su Sv Rotação ================================================================================== P P P P P

35 Resultados Preliminares Campanha agosto de 2005 (azul) e maio de 2006 (vermelho) P6 P2 P4 P5 P1 P3 Pilar Norte Leste ============================= P2-0,004 0,001 P3 0,000 0,000 P4-0,003-0,001 P5 0,002-0,004 P6-0,004-0,002

36 EXEMPLO 2 ARQUEAÇÃO DE TANQUES DEFORMAÇÃO O cálculo da quantidade (volume) de combustível derramado dentro ou para fora dos tanques é feito de acordo com as dimensões originais. OBJETIVO Necessidade de definar a forma do tanque com precisão superior a 1 mm.

37 Fonte: Delčev et. al, 2012

38 Seções transversais do tanque Fonte: Delčev et. al, 2012

39 Modelo 3D Fonte: Delčev et. al, 2012

40 EXEMPLO LAJE DE CONCRETO Monitoramento de deformação de uma laje de concreto. 2007, apoio do LAIG/UFPR à ensaio desenvolvido pelo LAME/UFPR Equipamentos: Estação total robotizada Nível geodésico

41 16 pontos sobre a laje monitorados por irradiação e nivelamento geométrico.

42 Fonte: O autor (2007) 42

43 Fonte: O autor (2007) 43

44 (m) RESULTADOS 1,08 PERFIL A 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Ponto 0kg 200 kg 1000 kg 2000 kg 3000 kg 3600 kg

45 (m) PERFIL B 1,08 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 Ponto 0kg 200 kg 1000 kg 2000 kg 3000 kg 3600 kg

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51 Ruptura (laje) Mais de 7000 kg de carga

52 Exemplo MONITORAMENTO DE RECALQUES: EDIFÍCIO THE ROYAL PLAZA Créditos: Projeto final de Thiago Schroeder Salomão Objetivo: determinação de desníveis com nivelamento geométrico de primeira ordem para determinação de recalques em elementos prédefinidos da estrutura (pilares) pela comparação temporal dos desníveis obtidos.

53 MONITORAMENTO DE RECALQUE O monitoramento auxilia na verificação da iteração estrutura-solo. Recalque (r) r = h t1 - h t2 É a diferença de cota num ponto em dois instantes quaisquer (NBR 6122 projeto e execução de fundações)

54 NECESSIDADE DE PONTOS FIXOS Bench-marks: referência de nível profunda. Utilizados para controle de recalques.

55 PONTOS A SEREM MONITORADOS

56 ALGUNS RESULTADOS Recalques obtidos em duas campanhas distintas 14/12/07 e 08/01/08 (25 pontos monitorados) Recalque mínimo: 0,4mm Recalque máximo: 1,1mm 08/01/08 e 08/05/08 (20 pontos monitorados) Recalque mínimo: 0,01mm Recalque máximo: 4,8mm

57 Exemplo: PROJETO DE MONITORAMENTO DE UMA VIGA Créditos: Prof. Carlos Aurélio Nadal (Topografia Industrial) MONITORAMENTO DE UMA VIGA Seja monitorar os deslocamentos de uma viga de seção retangular (0,30mx0,50m) situada em um pórtico, no centro de uma sala conforme a planta e elevação fornecidos a seguir. Será utilizada estação total a ser instalada no ponto T1, para visar os alvos a1, a2..., a7 situados no centro da face da viga. A precisão nominal angular da estação utilizada é de 5, já sua precisão nominal linear é de 3mm±3ppm. A precisão da medida da altura da estação total é igual a ±1mm. Calcular qual a precisão das coordenadas dos alvos projetando o levantamento.

58 Planta da sala

59 Elevação da sala

60 VISÃO TRIDIMENSIONAL DA SALA

61 Colocando-se um sistema de coordenadas cartesianas tridimensionais na sala conforme esquematizado abaixo pode-se obter as coordenadas iniciais aproximadas dos pontos, supondo o eixo Y como origem das contagens de azimutes Z Y V2 X VIGA EM ESTUDO

62 DISPOSIÇÃO ESQUEMÁTICA DOS ALVOS Z a1 a2 a5 Y a7 T1 X

63 Coordenadas aproximadas dos alvos ponto X(m) Y(m) Z(m) a1 1,000 4,850 3,550 a2 2,000 4,850 3,550 a3 3,000 4,850 3,550 a4 4,000 4,850 3,550 a5 5,000 4,850 3,550 a6 6,000 4,850 3,550 a7 7,000 4,850 3,550 Coordenadas aproximadas da estação ponto X(m) Y(m) Z(m) T1 4,500 1,500 1,450

64 Cálculo dos valores aproximados das observações: - Cálculo da distância espacial entre os pontos T1 e ai d T1ai = [(x ai x T1 ) 2 + (y ai y T1 ) 2 + (z ai z T1 ) 2 ] 1/2 - Cálculo do ângulo zenital entre T1 e ai z ai z T1 V T1ai = arc cos [(x ai x T1 ) 2 + (y ai y T1 ) 2 + (z ai z T1 ) 2 ] 1/2 - Cálculo do azimute entre os pontos T1 e ai x ai x T1 A T1ai = arc tg y ai Yt 1 - Cálculo das direções horizontais H T1ai = A T1ai - A T1a1 A T1a1 = azimute da direção estação alvo a1

65 Cálculo dos valores aproximados das observações: direção Azimute graus Ang. Vertical graus Distância (m) Direção Horizontal graus T1-a1 313, , , T1-a2 323, , , , T1-a3 335,879 60,2248 4, ,13347 T1-a4 351, , , ,76551 T1-a5 8, , , ,7434 T1-a6 24, ,2248 4, ,37543 T1-a7 36, , , ,98728

66 Para estudo de propagação de variâncias num projeto de levantamentos, adota-se o preconizado por Chrzanowski 1977 Design and error analysis of surveying projects, a tolerância (erro máximo admissível) igual a 3, equivalente a probabilidade normal de 99,9%. Tolerância angular = 15 Tolerância linear = 9mm±9ppm Tolerância na altura da estação =3mm 1 68% 2 95% 3 99,7%

67 Considerando um sistema de coordenadas com origem no ponto cardã (O) z distância espacial (inclinada) ângulo vertical (zenital) Z d op ai z p o A op p y x p x y p p ângulo horizontal (azimute)

68 Equações do posicionamento neste sistema x ai = d T1ai sen Z T1ai sen A T1ai y ai = d T1ai sen Z T1ai cos A T1ai z ai = d T1ai cos Z T1ai Que pode ser simplificado na forma: x=d senz sena y=d senz cosa z=d cosz

69 A Lei de Propagação de Covariâncias Onde G é a matriz das derivadas parciais da função original (matriz jacobiana) e X é a matriz variância covariância das observações (d, Z, A, I). Para um alvo: I A Z d X I z A z Z z d z I y A y Z y d y I x A x Z x d x G T X Y G G

70 Derivadas parciais das funções x d senzsena y d senz cos A z d cos Z x Z d cos ZsenA y Z d cos Z cos A z Z dsenz x A dsenz cos A y A dsenzsena z A 0 x I 0 y I 0 z I 1

71 Resultados para o Alvo a1: a1 = Erros nas coordenadas: ex = 6,0mm ey = 5,7mm ez = 5,6mm

72 alvo Erro em X (mm) Erro em Y (mm) Erro em Z (mm) a1 6,0 5,7 5,6 a2 4,8 6,4 5,9 a3 3,2 7,1 6,2 a4 1,2 7,6 6,4 a5 1,2 7,6 6,4 a6 3,2 7,1 6,2 A7 4,8 6,4 5,9 Conclusão: com um instrumento desta qualidade somente será possível detectar deslocamentos superiores a 05 mm em média (relativo).

73 Exemplo: CONSTRUÇÃO DO BURJ KHALIFA Dubai, Emirados Árabes - 828m de altura, ~160 andares -Integração GPS + Estação Total + Sensores de inclinação

74 Exemplo: CONSTRUÇÃO DO LOTTE WORLD TOWER Seul, Coréia do Sul - 555m de altura, ~120 andares -Integração GPS + Sensores de inclinação Fonte: Novembro de 2015

75 Fonte: Laboratório de Dinâmica Estrutural e Monitoramento da Universidade de Notre Dame

76 Viaduto Millau, França Fase construtiva Fonte:

77 Fonte: Viaduto Millau, França