SHMmensus: monitorização da integridade estrutural via aplicação web SHMmensus: structural health monitoring via web application

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1 SHMmensus: monitorização da integridade estrutural via aplicação web SHMmensus: structural health monitoring via web application Carlos Rodrigues (1); Helena Figueiras (2); Carlos Félix (3); Joaquim Figueiras (4) (1) Professor Adjunto Convidado, Instituto Superior de Engenharia do Porto. CONSTRUCT. Portugal. (2) Engenheira Civil. NewMENSUS, Lda. Portugal. (3) Professor Coordenador, Instituto Superior de Engenharia do Porto. CONSTRUCT. Portugal. (4) Professor Catedrático. CONSTRUCT, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Portugal. Rua Dr. António Bernardino de Almeida, Porto. Portugal. Resumo A monitorização da integridade estrutural tem vindo a ganhar importância no acompanhamento do desempenho das infraestruturas da engenharia civil. Começam, por isso, a proliferar os casos de estruturas monitorizadas com recurso aos mais modernos sistemas de medição automática. Acumulada ao longo de vários anos, a experiência do CONSTRUCT-LABEST e da NewMENSUS estende-se a várias pontes em construção e em operação, com políticas de conservação proativa com base na monitorização estrutural. Tem-se, no entanto, verificado que o contributo dos sistemas de monitorização para o acompanhamento destas obras só se torna efetivo se estiver associado a meios que viabilizem o acesso aos respetivos resultados em tempo real e com indicadores de fácil análise. Mais ainda, devem ser capazes de alertar as entidades envolvidas assim que sejam detetados cenários anómalos no sentido de promover a tomada de decisões consentâneas. Esta comunicação apresenta uma estratégia baseada numa aplicação informática, denominada SHMmensus, acessível remotamente através da internet, desenvolvida especificamente para consulta e gestão dos resultados da monitorização estrutural em tempo real. Mostram-se as suas potencialidades recorrendo a cinco casos ilustrativos de diferente natureza. Palavras-Chave: monitorização estrutural; aplicação informática; resultados em tempo real; vigilância e alerta; tomada de decisões. Abstract The structural health monitoring has become increasingly important to survey the performance of the civil engineering infrastructure. So, structures monitored using the most advanced automatic measurement systems have steadily increased. The involvement of CONSTRUCT-LABEST and NewMENSUS extends to several bridges under construction and in operation with proactive conservation monitoring policies. However, the impact of the monitoring systems for the valuable assessment of the structures condition shall only be effective if it is associated with means which enable the access to the results in real time and with facilities to easy analyze the condition indicators. These systems should be able to alert the authorities in case of damage scenarios assisting in decision making. This paper presents an online application, named SHMmensus, remotely accessible by the internet, and specifically developed for assessing and managing the results of the structural monitoring in real time. Its potentialities are presented based on a number of expressive examples. Keywords: Structural monitoring; computer application; real time assessing; alert states; decision-making. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 1

2 1 Introdução Para uma gestão mais eficiente do património construído, a permanente recolha de informação específica sobre o estado efetivo das estruturas revela ser fundamental. Só assim pode ser racionalmente avaliada a condição das obras, efetivado o seu diagnóstico e projetadas, em consonância, as intervenções necessárias. Para o efeito, exige-se a recolha criteriosa de informação. Observa-se que, quanto melhor e mais vasta for a informação recolhida in situ e quanto mais eficazes forem os métodos de diagnóstico aplicados, mais eficientemente, isto é, comportando menores custos e conduzindo a melhores desempenhos, poderão ser planeadas e executadas as intervenções necessárias. Numa ótica tradicional que vai proliferando até aos dias de hoje, a avaliação da integridade estrutural tem sido realizada, na grande maioria dos casos, através de inspeções periódicas, conforme se ilustra na Figura 1.a). Estas inspeções, de natureza predominantemente visual ou, nalguns casos, comportando ensaios pontuais, podem seguir procedimentos e frequências muito dependentes da legislação local, do dono de obra e da sua disponibilidade técnica e financeira. Apesar de hoje em dia existir uma experiência sedimentada na interpretação dos resultados das inspeções, têm sido apontadas várias falhas relacionadas com a sua capacidade em detetar precocemente danos estruturais. O facto de se basearem em processos mormente empíricos justifica muitas dessas falhas, pelo que muitas anomalias não são visualmente detetadas e muitas das anomalias detetadas estão já associadas a estados avançados de degradação cuja reparação acarreta esforços acrescidos. Concomitantemente, a transmissão da informação de forma concentrada, aparecendo geralmente congregada em relatórios periódicos, dificulta a sua análise efetiva e compromete a utilização dessa informação para a tomada de decisões em tempo útil. Tendo por base o panorama apresentado, a monitorização estrutural vem criar novas perspetivas na recolha de informação estrutural (ver Figura 1.b)). Destaca-se o potencial da monitorização estrutural para: i) avaliar o desempenho de novos materiais e/ou novos sistemas estruturais; ii) detetar em tempo-real eventuais deficiências estruturais, danos ou acidentes; a) b) Figura 1 Comparação entre: a) o procedimento de inspeção visual e b) o acesso contínuo aos resultados da monitorização estrutural. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 2

3 iii) avaliar a condição estrutural imediatamente após acidentes ou solicitações extraordinárias; iv) auxiliar no planeamento sustentado de intervenções, tais como trabalhos de reabilitação e de reforço estrutural, em função das necessidades efetivas da estrutura; v) avaliar a eficácia das intervenções de manutenção e reforço realizadas ao longo da vida útil da estrutura; vi) quantificar ações reais intervenientes na estrutura, tais como o tráfego, a ação do vento e outras solicitações excecionais; vii) verificar os pressupostos de cálculo com potencial benefício na melhoria dos critérios de análise e no dimensionamento de estruturas semelhantes no futuro. Sistemas de monitorização bem concebidos e corretamente instalados têm demonstrado capacidade para recolher indicadores efetivos relativamente ao estado das estruturas. Passou a ser possível executar autonomamente diagnósticos relativamente ao estado de integridade da obra de forma a aferir a necessidade de intervir na estrutura. A implementação de planos de monitorização estrutural veio, por isso, alterar o paradigma da gestão e conservação proativa das infraestruturas, interferindo positivamente no prolongamento da sua vida útil, na redução dos custos de manutenção e na sua utilização em condições de segurança eficientemente controladas e otimizadas. 2 SHMmensus: ferramenta web para consulta e gestão de resultados Tem sido explorado o conceito de monitorização da integridade estrutural (Structural Health Monitoring) assente na capacidade de ter sistemas completos, capazes de detetar e alertar sobre a presença de danos e/ou anomalias no sistema estrutural. Combina-se, para o efeito, a medição de diferentes grandezas representativas do comportamento da estrutura e do seu meio envolvente com a aplicação de técnicas e algoritmos de análise específicos (Aktan, et al., 1998; Farrar et al., 2007). Do ponto de vista experimental, pretende-se que um sistema de monitorização seja capaz de proceder à medição das principais grandezas que caracterizam a resposta da estrutura com o máximo rigor possível. O rápido crescimento a que se assistiu ao longo das duas últimas décadas no que diz respeito à tecnologia que rodeia os sensores e os sistemas de aquisição de dados veio alargar o leque de opções e aumentar o grau de fiabilidade e autonomia dos respetivos sistemas de medição (ver Figura 2). Figura 2 Tecnologia associada à monitorização de estruturas: sensores e equipamento de aquisição. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 3

4 No entanto, para as entidades responsáveis pela gestão e conservação das infraestruturas, mais do que as medições isoladas, torna-se imprescindível o acesso a indicadores capazes de traduzir de forma efetiva e expedita o estado da estrutura. Considera-se também importante que esta informação esteja atualizada e seja disponibilizada em tempo útil. Só assim se poderá ter um diagnóstico atualizado e se poderá conceber uma estratégia de conservação proativa, tomando medidas oportunas. Neste contexto, foi concebida e desenvolvida a plataforma SHMmensus, uma ferramenta informática, baseada na web, para consulta e gestão de resultados da monitorização estrutural. De forma abrangente, esta ferramenta procura integrar, num acesso centralizado, um conjunto de obras e resultados orientados relativos à monitorização da integridade estrutural. Qualquer utilizador, devidamente credenciado, passa a ter acesso remoto a esta informação, em tempo real e em qualquer lugar com ligação à internet. Na Figura 3 ilustra-se o ambiente do SHMmensus. Disponibiliza-se uma série de meios gráficos que permitem a consulta de resultados de forma interativa. As ferramentas envolvidas revelam-se versáteis para a manipulação de séries temporais de diferente dimensão. Nos respetivos gráficos, pode-se alternar entre as diferentes grandezas medidas, assim como operar com a sua escala ( zoom ) ou com o período representado ( pan ). Vistas tabulares, permitem ainda a consulta de todos os registos e a sua exportação para ficheiros externos. Mais categórica é, no entanto, a inclusão de algoritmos de cálculo e indicadores que visam incrementar o nível da informação disponibilizada. Nesse sentido, no SHMmensus, podem ser incluídos, por exemplo, resultados com compensação dos efeitos operacionais e ambientais e quadros resumo com estados de alerta. Diferentes critérios podem ser usados para definição dos respetivos limites de vigilância e alerta. Complementa-se esta funcionalidade, com a capacidade de geração e envio automático de mensagens de aviso sempre que qualquer situação anómala é detetada. As funcionalidades desta aplicação estendem-se ainda à monitorização e caraterização de eventos especiais, tais como passagens de veículos pesados e pegas de fogo, bem como à vigilância de parâmetros de durabilidade de estruturas de betão. Figura 3 Diferentes vistas da consulta de resultados no SHMmensus. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 4

5 A informação disponível no SHMmensus é atualizada automaticamente com base na sua capacidade de comunicação com o sistema de monitorização instalado em obra. Algoritmos internos procedem ao processamento e tratamento dos resultados, facilitando a leitura da informação final disponibilizada. O âmbito de aplicação do SHMmensus é neste momento vasto e cobre já um conjunto de obras representativo. A sua utilização tem-se revelado importante na medida que tornou acessível a monitorização estrutural ao utilizador final, entre projetistas, gestores e donos de obra. A flexibilidade com que se encontra estruturado permite ainda, em caso de necessidade, o desenvolvimento e aplicação de algoritmos específicos para análise dos resultados de uma determinada obra. 3 Casos de obra ilustrativos Ao longo deste capítulo, apresentam-se, de forma breve, alguns casos ilustrativos das valências da monitorização estrutural enquanto ferramenta de auxílio à gestão, em tempo real, das respetivas obras. De forma criteriosa, abrangem-se os seguintes casos: Monitorização estrutural, em serviço, de uma ponte reabilitada de alvenaria; Monitorização estrutural de obras em estado crítico de conservação durante o processo de reabilitação; Monitorização estrutural de obras novas durante o processo construtivo; Monitorização estrutural de obras novas durante a fase de exploração; Monitorização especial de ações excecionais e outros eventos. Serão apresentados os objetivos e as características essenciais dos respetivos planos de monitorização. Destacar-se-á a forma como os resultados estão disponíveis e podem ser explorados no auxílio à gestão dessas obras. O papel da aplicação SHMmensus será ilustrado, identificando as valências mais relevantes para cada propósito. 3.1 Caso 1 Monitorização estrutural de uma ponte reabilitada de alvenaria O presente caso é ilustrativo da utilidade da monitorização estrutural numa obra, que faz parte do património histórico. Invoca-se o caso de uma ponte em arco de alvenaria de pedra reabilitada para serventia do Metro do Porto. A estrutura original é composta por uma sequência de arcos de alvenaria de pedra de altura considerável, conforme se mostra na Figura 4. Respondendo à necessidade de alargamento do respetivo tabuleiro para circulação do metro, sobre esta estrutura passou a apoiar um novo tabuleiro de betão armado que contacta com a estrutura primitiva por intermédio de uma base constituída por uma camada de agregados de enchimento. A ligação entre os dois componentes estruturais processa-se, de forma pontual, por intermédio de perfis metálicos inseridos na zona dos pilares de alvenaria. Aquando da reabilitação da obra, foi concebido e implementado um sistema de monitorização estrutural para acompanhamento futuro do comportamento da estrutura durante a sua nova fase de serviço. São objetivos principais deste sistema: i) avaliar a eficiência da ligação entre a alvenaria e o novo tabuleiro de betão; ii) acompanhar a atividade de fendas observadas na alvenaria de pedra; iii) vigiar o comportamento da estrutura ao longo do tempo e detetar eventuais anomalias estruturais. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 5

6 a) b) Figura 4 SHMmensus: a) apresentação da estrutura e b) respetiva instrumentação. Para o efeito, o sistema de monitorização engloba a instrumentação de sete secções distribuídas ao longo da estrutura (ver Figura 4.b)). Destaca-se a medição de temperaturas no meio ambiente e no betão, a medição de deslocamentos relativos nas juntas de dilação presentes nos encontros, a medição de deslocamentos verticais relativos entre a estrutura de alvenaria de pedra e o tabuleiro de betão e a medição da abertura de fendas patentes na estrutura de alvenaria de pedra. Todo o sistema, baseado em sensores elétricos, opera de forma contínua e automática, com aquisições globais horárias e envio dos resultados para um servidor externo. A aplicação web SHMmensus funciona como charneira entre a obra e as entidades responsáveis pela sua gestão. Numa primeira instância, pretende-se que o utilizador consiga ter, de uma forma rápida e expedita, uma perspetiva global do estado da estrutura e dos seus sensores. A vista de entrada remete para a Figura 5, onde, por intermédio de um código de cores e símbolos (verde, amarelo e vermelho), é percetível o estado de cada grandeza monitorizada. Neste caso, vigoram limites de dispersão estatística aplicados tendo em conta o histórico dos registos. Situações de desvio originarão estados de alarme em consonância com a sua magnitude. A fase seguinte de acompanhamento dos resultados compreende a consulta de gráficos e tabelas com todos os registos medidos na estrutura ao longo do tempo. Trata-se de uma análise direta que permitirá facilmente detetar tendências no comportamento da estrutura ou mesmo descontinuidades em caso de danos súbitos. Apresentam-se, na Figura 6, duas vistas dessa consulta. No caso, estão representados os deslocamentos relativos das juntas de dilatação da ponte. Salienta-se a extensão do período de observação que, neste momento, ultrapassa já os cinco anos de monitorização contínua, praticamente sem falhas. É, como previsto, neste registo, notória a influência dos ciclos sazonais de temperatura sobre o movimento da junta. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 6

7 Figura 5 SHMmensus: quadros resumo com indicadores relativos ao estado da estrutura e dos sensores. a) b) Figura 6 SHMmensus: resultados sob a forma de a) gráficos e b) tabelas. 3.2 Caso 2 Monitorização estrutural de obras em estado crítico de conservação durante o processo de reabilitação Este segundo caso remete para um conjunto de quatro pontes (ver Figura 7), na região centro de Portugal, construídas entre 1976 e 1979, desenvolvendo a rede viária em torno da albufeira da Barragem da Aguieira então em construção. Destaca-se o facto de todas elas apresentarem atualmente um estado de conservação crítico e estarem, por isso, a ser objeto de intervenções de reabilitação profunda. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 7

8 Figura 7 SHMmensus: painel de seleção para entrada nas quatro obras monitorizadas. No decorrer de diversas inspeções efetuadas ao longo da última década, foram sendo identificadas anomalias significativas no conjunto das pontes. Estas anomalias estão, na generalidade, associadas a reações expansivas do tipo álcalis-sílica no betão dos pilares e encontros, com particular evidência nas zonas imersas e nas que estão sujeitas a molhagem-secagem, em função dos níveis de água de exploração da albufeira. Assinala-se a observação generalizada de fendilhação com abertura progressiva. O objetivo do programa de monitorização desenvolvido para estas obras passa por acompanhar o comportamento das respetivas estruturas durante as intervenções de reabilitação a que estão ou vão estar sujeitas. Pretende-se assim auxiliar na avaliação das condições de segurança e na deteção de eventuais danos causados pelas intervenções. As grandezas consideradas relevantes observar para atingir os objetivos em causa são, para além da temperatura, as rotações no topo dos pilares e os deslocamentos dos aparelhos de apoio em juntas de dilatação (IC, NewMENSUS, 2013). Em obra, a respetiva rede de sensores está centralizada num equipamento único de leitura e de aquisição de dados, através do qual se processa, de forma programada, minuto a minuto, a interrogação do sinal dos sensores. De forma programada, ao longo do dia, os dados registados são enviados para um servidor externo, que se considera sincronizado com a obra, centralizando a informação das várias obras. O processamento dos dados dá-se então no servidor externo, sob os ficheiros provenientes da obra, combinando as operações de importação dos dados, tratamento, conversão e armazenamento numa base de dados específica. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 8

9 À semelhança do caso anterior, todos os registos das grandezas medidas estão disponíveis em gráficos interativos. A título de exemplo, na Figura 8.a) mostra-se a consulta das rotações do Pilar P5 de uma das obras durante um período de dois meses, onde estão bem patentes os ciclos diários. a) b) Figura 8 SHMmensus: resultados das rotações medidas no pilar P5: a) sem qualquer compensação, e b) com compensação dos efeitos ambientais. Para a deteção de alterações no comportamento das estruturas, indiciadoras de eventuais alterações na condição estrutural, recorre-se, neste caso, a modelos preditórios estatísticos baseado em regressões lineares múltiplas. Consegue-se prever o comportamento de cada estrutura, inferido nas grandezas estruturais observadas, com base na ponderação linear das grandezas ambientais também medidas. O desvio entre o medido e a previsão é objeto de análise ao longo do tempo (Figura 8.b)). Espera-se que um eventual aumento deste indicador, que se associa a uma incapacidade do modelo estatístico prever a resposta da estrutura, possa revelar alterações no comportamento da estrutura. Por este motivo, este indicador constitui também a base dos níveis de alerta amarelo e de alerta vermelho implementados. Conforme consta no protocolo de apoio, para cada grandeza medida, dentro de cada obra, preconiza-se a existência de dois níveis de alarme correspondentes às situações de alerta amarelo e vermelho. A Figura 9 ilustra a implementação dos respetivos níveis de alerta na aplicação informática que compõe o sistema. Em tempo real, torna-se assim possível ter um panorama geral do estado da estrutura representado numa tabela resumo (Figura 9.a) ou nos gráficos individuais de cada parâmetro medido (Figura 9.b). A obtenção de estados anormais está ainda associada ao envio automático de mensagens de alerta para as entidades envolvidas. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 9

10 a) b) Figura 9 SHMmensus: a) indicadores relativos aos estados de alerta, e b) visualização dos limites. Os respetivos limites de alerta são acompanhados pelas equipas projetistas e pelos responsáveis pela gestão das estruturas (TRIEDE, 2014). O alerta amarelo está associado a um desvio ligeiro do comportamento da estrutura relativamente ao estado de referência. Depois de despistada qualquer situação anómala com o sistema de medição, a evolução do comportamento da estrutura após a sua ocorrência deverá ser acompanhada com grau redobrado de atenção. Já o alerta vermelho reflete, em princípio, alterações significativas no comportamento da estrutura. Este deve implicar a realização de estudos complementares com vista à avaliação da condição efetiva da estrutura. Sempre que os estados de alarme se revelam persistentes, serão iniciadas análises complementares, nomeadamente com a avaliação direcionada dos modelos estruturais, realização de inspeções visuais, levamento geométrico de precisão e ensaios complementares não-destrutivos. Validada a gravidade do aviso, compete ao dono de obra tomar as medidas adequadas que levem à minimização dos riscos resultantes. 3.3 Caso 3 Monitorização estrutural de obras novas durante o processo construtivo Apresentam-se, neste caso, as potencialidades da monitorização estrutural no auxílio à construção, introduzindo um caso de acompanhamento do processo construtivo de um viaduto urbano realizado em Trata-se de um viaduto rodoviário à entrada da cidade do Porto, caracterizado por uma solução de tabuleiro atirantado, assimetricamente, formando três planos de cabos, conforme se mostra na Figura 10. Dada a complexidade do processo construtivo, foi implementado um sistema com vista à monitorização do viaduto durante a construção e durante os ensaios de carga subsequentes. O respetivo plano de instrumentação incluiu a observação de cinco secções do tabuleiro e duas secções do mastro. Em cerca de 40 pontos da estrutura ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 10

11 foram medidas extensões, assim como se procedeu à medição de rotações longitudinais e transversais junto ao mastro (Félix, 2004). Figura 10 Vista geral do viaduto. A importância da monitorização estrutural nesta fase crítica da obra está patente nos resultados ilustrados na Figura 11. Representa-se o registo das extensões medidas numa das diagonais interiores durante o processo de tensionamento dos respetivos elementos estruturais. No caso, é visível uma variação anómala durante o tensionamento da diagonal direita que se pode associar ao escorregamento inesperado da sua ancoragem. Situações críticas, como esta, podem desta forma ser detetadas e, no geral, quantificadas permitindo uma melhor compreensão dos processos e dos efeitos envolvidos. Nesta situação, coube ao projetista definir o plano de atuação para obviar a situação reportada. É reconhecido que o impacto da decisão tomada foi minimizado face ao conhecimento do estado efetivo da estrutura. ED1 ED3 100 ED2 ED4 0 BT011 T11 BT012 T11 T12 T ED1 / ED1t ED3 / ED3t Extensão (x10-6 m/m) ED1 ED2 ED3 ED4 ED2 / ED2t ED4 / ED4t Jul 12:00 24-Jul 12:00 25-Jul 12:00 26-Jul 12:00 27-Jul 12:00 28-Jul 12:00 29-Jul 12:00 30-Jul 12:00 Figura 11 Instrumentação das diagonais internas e respetivos resultados durante o tensionamento. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 11

12 3.4 Caso 4 Monitorização estrutural de obras novas durante a fase de exploração Nas obras de grande dimensão, a necessidade do controlo do comportamento estrutural durante a sua vida útil e a recolha de indicadores relativos à sua durabilidade começa a ser cada vez mais frequente. A obrigatoriedade destes sistemas emerge no seio dos principais projetos de normas internacionais e, por inerência, tem vindo a ser integrado no caderno de encargos das principais obras. Este exemplo aponta para o Viaduto do Corgo que apresenta uma extensão total de 2796 m e foi concluído em 2013, permitindo a passagem de uma nova autoestrada na região de Vila Real. O complexo e extenso projeto de monitorização estrutural destina-se a acompanhar quer o processo construtivo, quer o ciclo de exploração em serviço (Félix et al., 2012). Durante as várias fases de construção, procurou-se avaliar o comportamento da estrutura, de forma a validar tanto o modelo de cálculo adotado no projeto da estrutura, como o processo construtivo. O acompanhamento do faseamento construtivo permitiu ainda estabelecer um referencial de comportamento da estrutura, fundamental para interpretar posteriores campanhas de avaliação da condição estrutural da obra. No final da construção, o sistema de monitorização foi posto em pleno funcionamento visando avaliar a resposta da estrutura em serviço, ao longo dos anos subsequentes. Por esta via, procura-se conseguir a deteção oportuna e eficiente de alterações no seu comportamento associadas a eventuais danos ou deficiências nos elementos estruturais. Mais uma vez, se associam uma série de limites de alerta e vigilância relativamente a desvios admissíveis face ao comportamento de referência da estrutura. Dada a dimensão da estrutura e o carácter da avaliação pretendida, a caracterização experimental é feita por amostragem, tendo sido escolhidas duas zonas de intervenção. Na Figura 12, indica-se, de forma esquemática, a panóplia de grandezas medidas, bem como a sua distribuição ao longo da estrutura principal. Tendo em conta o carácter permanente e duradouro desta instalação, destaca-se a necessidade de se ter de recorrer a um conjunto de sensores diversos com rigorosos requisitos de desempenho. Figura 12 Grandezas medidas e sua localização no Viaduto Central. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 12

13 Respondendo aos objetivos essenciais que regulam esta monitorização, estabeleceram-se os seguintes alvos: avaliação da deformação de secções da estrutura (pilares e tabuleiro); avaliação da rotação de secções de pilares, dos mastros e do tabuleiro; estimativa dos deslocamentos horizontais do topo dos mastros; determinação da tensão nas diagonais no interior do tabuleiro (zona atirantada); avaliação da força instalada nos tirantes; deteção de eventuais rotações de maciços de fundação; avaliação das flechas (deslocamento vertical relativo) do tabuleiro; avaliação dos movimentos das juntas de dilatação; caracterização das condições meteorológicas que envolvem a estrutura. Para consulta remota dos resultados deste sistema de monitorização, particularmente exigente face ao número de sensores envolvidos, recorre-se, de igual forma, à plataforma SHMmensus. As funcionalidades previstas são, na generalidade, comuns às apresentadas para o conjunto dos casos anteriores. Destaca-se a presença de quadros de alarme e o acesso a gráficos e tabelas com o registo atualizado dos sensores. O sistema está também preparado para gerar mensagens automáticas que divulga pelas entidades competentes caso seja detetada qualquer anomalia. A título ilustrativo, na Figura 13, está representada a evolução de duas grandezas selecionadas. Mostra-se o deslocamento de uma junta de dilatação (Figura 13.a)) e a rotação do tabuleiro (Figura 13.b)) numa determinada secção. Neste caso, realça-se a possibilidade de se confrontar graficamente (em baixo) todas as grandezas mecânicas medidas com temperaturas representativas da estrutura, previamente selecionadas. a) b) Figura 13 SHMmensus: a)evolução do movimento de uma junta, e b) da rotação do tabuleiro e sua comparação com as temperaturas na estrutura e na envolvente. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 13

14 3.5 Caso 5 Monitorização de ações excecionais e outros eventos Este último caso transporta para a monitorização e avaliação do comportamento estrutural de uma ponte em arco de betão simples, com cerca de 78 m de vão e 20 m de flecha, construída em A solicitação excecional motivada pela realização de trabalhos, na proximidade da ponte, para construção de uma barragem, motivaram a instalação de um sistema para monitorização contínua do seu comportamento, bem como para caracterização das ações excecionais e seus efeitos. Este sistema caracteriza a evolução temporal das deformações do arco, mede as deformações devidas à passagem de veículos com peso superior a um valor limite previamente imposto (com uma frequência de aquisição igual a 50 Hz) e regista as deformações associadas à ocorrência de explosões para escavação em rocha durante a construção da barragem (com a mesma frequência de aquisição). A instrumentação adotada envolve o recurso a transdutores de deformação no arco e num dos tramos simplesmente apoiados do tabuleiro, bem como a transdutores de temperatura no arco e no tabuleiro simplesmente apoiado e para medição da temperatura ambiente. De forma esquemática, assinalam-se na Figura 14 as respetivas seções instrumentadas. Figura 14 Secções instrumentadas e disposição dos sensores em cada secção. Para além das grandezas diretamente medidas, ocorre neste sistema a estimativa de outros parâmetros relevantes. Refere-se a avaliação do peso dos veículos, o cálculo de curvaturas no arco e a estimativa do valor dos deslocamentos da estrutura deformada. Um grupo de extensómetros instalados no tramo simplesmente apoiado (secção T-T1, na Figura 14) constitui um sistema de deteção de eventos, que permite identificar a passagem de veículos pesados, acionando a gravação de resultados associados a esse evento. Além disso, estes extensómetros fornecem uma estimativa aproximada do peso do veículo, assim como uma indicação da sua posição transversal durante a passagem. No excerto presente na Figura 15.a) mostra-se uma listagem de eventos associados à passagem de veículos pesados, onde de forma totalmente interativa se pode consultar as a evolução das grandezas medidas, sob a forma de linhas de influência, durante a passagem de cada veículo. Um procedimento de ativação expedita permite também recolher janelas de amostragem durante a ocorrência de pegas de fogo associadas ao desmonte de rocha na vizinhança da ponte. O registo de um desses eventos está ilustrado na Figura 15.b). Pode assim ser controlada a influência sobre a estrutura destas solicitações excecionais, assim como se poderá despistar o eventual surgimento de deformações residuais em secções críticas. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 14

15 a) b) Figura 15 SHMmensus: a) monitorização de eventos relativos à passagem de veículos pesados, e b) a pegas de fogo. 4 Considerações finais Neste trabalho, procurou-se evidenciar as potencialidades da monitorização estrutural no auxílio à conservação e à gestão de obras de arte. Considera-se que o avanço das tecnologias patentes nos mais diversos componentes, desde os sensores até à consulta final, passando pelos meios de comunicação e pelos modelos de cálculo, vieram efetivar a monitorização da integridade estrutural fornecendo uma poderosa ferramenta de apoio à decisão. Os cinco casos invocados atestam, em diferentes contextos, a sua utilidade. Consubstanciando as valências da monitorização da integridade estrutural, apresentou-se um software dedicado SHMmensus baseado nas novas tecnologias de informação, acessível remotamente através da internet e desenvolvido especificamente para consulta e gestão dos resultados em tempo real. Na aplicação, concentram-se várias obras monitorizadas cujos resultados e especificidades foram também invocados para ilustrar o presente artigo. Para além do traçado de gráficos com as séries temporais monitorizadas, na aplicação incluem-se módulos de análise e indicadores representativos da condição da estrutura. Salienta-se a capacidade de geração automática de estados de vigilância e alerta no caso de desvios relativamente a um qualquer estado de referência. Esta aplicação estende-se ainda à monitorização e caraterização de eventos especiais, tais como passagens de veículos pesados e pegas de fogo, bem como à vigilância de parâmetros de durabilidade de estruturas de betão. Promove-se, por esta via, a adoção de políticas de conservação proativas, mais realistas e intrinsecamente mais económicas e seguras, para um conjunto diverso de obras de arte com diferentes requisitos. ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 15

16 5 Bibliografia AKTAN, A. E.; HELMICKI, A. J.; HUNT, V. J.; Issues in health-monitoring for intelligent infrastructure. Journal of Smart Materials and Structures. 7:5, FARRAR, C. R.; WORDEN, K.; An introduction to structural health monitoring. Philosophical Transactions of the Royal Society a-mathematical Physical and Engineering Sciences. 365:1851, p , FÉLIX, C.; "Monitorização de Obras de Arte". Tese de Doutoramento, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto; FÉLIX, C.; RODRIGUES, C.; FARIA, R.; FIGUEIRAS, J.; AFONSO, L.; BARATA, V.; "Conceção e Implementação do Sistema de Monitorização Estrutural do Viaduto do Corgo". BE Encontro Nacional Betão Estrutural 2012; Porto, IC, NewMENSUS. Plano de Monitorização Estrutural da Ponte de Foz do Dão IC, NewMENSUS. Plano de Monitorização Estrutural da Ponte de Criz I IC, NewMENSUS. Plano de Monitorização Estrutural da Ponte de Criz II IC, NewMENSUS. Plano de Monitorização Estrutural da Ponte de S. João das Areias PENCIL. Projeto de Execução da Reabilitação da Ponte Sobre o Rio Tua TRIEDE. IP3 - Ponte de Foz do Dão. Monitorização Estrutural Limites de Alerta ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 16