MONITORIZAÇÃO ESTRUTURAL COM BASE EM FIBRA ÓPTICA: O EXEMPLO DA PONTE DA LEZÍRIA

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1 MONITORIZAÇÃO ESTRUTURAL COM BASE EM FIBRA ÓPTICA: O EXEMPLO DA PONTE DA LEZÍRIA Carlos Rodrigues 1, Carlos Félix 2, Armindo Lage 3, Joaquim Figueiras 4 1 Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia LABEST, Porto, Portugal. cfr@fe.up.pt 2 Instituto Superior de Engenharia do Porto / LABEST, Porto, Portugal. cfelix@fe.up.pt 3 Universidade do Porto, DEEC, Porto, Portugal. alage@fe.up.pt 4 Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia LABEST, Porto, Portugal. jafig@fe.up.pt Resumo: A monitorização estrutural assume um papel de crescente destaque no seio da engenharia estrutural. Procura-se o conhecimento do comportamento real da estrutura pela medição de um conjunto de grandezas físicas representativas. Espera-se uma gestão e uma manutenção mais realista conducente ao incremento da segurança e do período de vida útil da estrutura. Neste contexto, o recurso à tecnologia das fibras ópticas revela características que a tornam vantajosa quando comparada com as soluções convencionais de natureza eléctrica para monitorização estrutural. Foca-se a aplicação prática deste trabalho, apresentando o caso do sistema avançado de monitorização estrutural de base óptica da Ponte da Lezíria. Descrevem-se os principais aspectos relacionados com as grandezas medidas, com a concepção do sistema e com a arquitectura da rede de sensores adoptada. Ilustram-se as potencialidades do sistema em pleno funcionamento salientando os resultados recolhidos desde a abertura da ponte ao tráfego rodoviário. 1. INTRODUÇÃO São inúmeras as potencialidades associadas à monitorização estrutural de carácter permanente no domínio da Engenharia Civil. Chama-se a atenção para a analogia presente na Figura 1. Do mesmo modo que o médico procura o tratamento para o seu paciente face aos primeiros sintomas e queixas, na monitorização estrutural procura-se medir e analisar aspectos representativos do comportamento da estrutura de forma a detectar comportamentos anómalos (sintomas) e proceder à sua resolução de forma atempada e criteriosa [Glisic e Inaudi, 2007]. A implementação de planos de monitorização estrutural vem, por isso, potenciar significativamente a eficiência da manutenção das infra-estruturas, interferindo no prolongamento da sua vida útil, na redução dos custos de manutenção e na sua utilização em condições de segurança eficientemente controladas e optimizadas. Figura 1 - Paralelismo entre a monitorização estrutural e o tratamento médico com vista à detecção antecipada de anomalias e à sua eficiente resolução [Glisic e Inaudi, 2007].

2 No que concerne à monitorização das grandezas mais representativas do comportamento estrutural, vários métodos e tecnologias têm sido empregues na procura por redes de sensores mais fiáveis, robustas e económicas. Tradicionalmente a instrumentação estrutural era baseada em sensores de natureza eléctrica, tais como, extensómetros de resistência eléctrica, sensores de cordas vibrantes, LVDT, etc. Mais recentemente, os sistemas de monitorização baseados em fibra óptica têm demonstrado um conjunto de vantagens que os fazem emergir relativamente às tecnologias convencionais. Comprovando as potencialidades e vantagens dos sensores em fibra óptica são vários os registos relatando o sucesso da utilização das mais diversas tecnologias ópticas na monitorização de pontes, barragens, túneis, edifícios, centrais nucleares e oleodutos entre outras estruturas. Têm sido medidos parâmetros estruturais, tais como, deformações, deslocamentos, rotações, vibrações, forças, pressão, etc., assim como, aspectos ambientais tais como temperaturas e humidade [Glisic e Ianudi, 2007; Li et al, 2004; Casas e Cruz, 2003; Graver et al, 2004]. Neste trabalho apresentam-se alguns aspectos gerais relativamente à instrumentação em fibra óptica para monitorização estrutural com particular enfoque nos sensores de Bragg. Concretiza-se este trabalho com a apresentação do sistema de monitorização estrutural em fibra óptica da Ponte da Lezíria, sobre o rio Tejo, em Portugal. São apresentados os aspectos e os resultados mais relevantes deste sistema de monitorização estrutural. 2. INSTRUMENTAÇÃO EM FIBRA ÓPTICA 2.1. Aspectos gerais Quando disposta convenientemente, por alteração das propriedades ópticas da própria fibra óptica ou por interposição de qualquer dispositivo apropriado, as perturbações externas que actuam na fibra podem ser capazes de introduzir alterações nas propriedades da luz transportada. É esta propriedade que é explorada pelos sensores em fibra óptica que permitem recorrer à medição de propriedades da luz transportada no interior da fibra óptica para medição indirecta de grandezas externas, conforme ilustrado na Figura 2. Figura 2 - Princípio geral dos sensores em fibra óptica. Quadro 1 - Tecnologias de sensores em fibra óptica e respectivas propriedades da luz medidas. Tecnologia Parâmetro medido Sensibilidade intrínseca Redes Bragg Comprimento de onda Deformação e temperatura Interferómetro Fabry-Pérot Fase Deformação Interferómetro de Michelson Fase Deformação Dispersão de Brillouin Frequência Deformação e temperatura Dispersão Raman Frequência Temperatura

3 Várias tecnologias e propriedades ópticas têm sido estudadas para avaliação de parâmetros mecânicos, químicos e térmicos com recurso à medição de variações nas propriedades da luz, tais como, a sua intensidade, frequência, comprimento de onda, fase ou polaridade [Culshaw e Kersey, 2005]. No Quadro 1, destacam-se algumas das tecnologias ópticas mais exploradas e que se encontram actualmente no mercado sob a forma de diversas soluções para medição de parâmetros estruturais. Pelas suas características e pela sua extrema sensibilidade a variações de temperatura e de deformação, os sensores de Bragg têm sido porém os que mais sucesso têm tido na Engenharia Civil [Majunder et al, 2008]. É também sobre esta tecnologia que recai a maior parte da investigação realizada ao longo dos últimos anos no seio do LABEST relativamente à utilização de sensores em fibra óptica na monitorização estrutural Sensores de Bragg As redes de Bragg consistem numa modulação periódica do índice de refracção, gravada ao longo de uma pequena extensão, tipicamente da ordem de um centímetro, no núcleo da própria fibra óptica. Ao encontrar a rede de Bragg, a luz que se propaga na fibra é parcialmente reflectida pelos interfaces entre as porções de fibra que apresentam diferente índice de refracção. Verifica-se, no entanto, que apenas uma pequena porção do espectro de luz interagirá em fase, dando origem à reflexão de um comprimento de onda bem definido, conforme representado na Figura 3 [Melle, 1993; Othonos, 1997; Keshyap, 1999]. Figura 3 - Princípio de funcionamento das redes de Bragg: a) Configuração da rede de Bragg; b) espectro de luz de entrada; c) espectro de luz transmitida; d) espectro de luz reflectida. São várias as potencialidades das redes de Bragg no domínio das fibras ópticas. Nas redes de comunicação têm sido sobretudo utilizadas como filtros e reflectores. As suas potencialidades como sensores baseiam-se na sua sensibilidade intrínseca a variações de deformação e de temperatura [Othonos, 1997]. Os sensores de Bragg apelam, por isso, à medição do comprimento de onda da luz reflectida pela rede de Bragg [Kersey et al, 1997]. Variações da deformação,, ou variações da temperatura, T, conduzirão a variações no comprimento de onda reflectido pelo sensor, b, traduzidas pela lei de Bragg Δλ λ b b PeΔε Pe α s α f ζ ΔT (1) onde P e ζ são os coeficientes foto-elástico e termo-óptico da fibra, respectivamente, e α e s e αf são os coeficientes de dilatação térmica do material da estrutura de suporte e da própria fibra, respectivamente.

4 2.3. Vantagens e Desvantagens No cômputo geral, a tecnologia dos sensores em fibra óptica apresenta excelentes propriedades para monitorização de parâmetros ambientais e mecânicos, evidenciando, geralmente, um conjunto de vantagens quando comparada com as tecnologias eléctricas convencionais. A qualidade dos sensores e a sua apropriação a aplicações no domínio da Engenharia Civil também tem sido estudada pela comunidade científica e explorada por diversos fabricantes. Continuamente aparecem novas soluções para medir os mais diversos parâmetros de interesse para a engenharia estrutural. É objectivo de toda a comunidade encontrar soluções mais fiáveis, robustas e competitivas. Neste particular tem-se observado que o custo dos componentes dos sistemas ópticos, nomeadamente dos sensores, equipamentos de aquisição, conexões e das próprias fibras tem diminuído significativamente nos últimos anos, beneficiando da sua utilização massiva nas redes de comunicação [Artungo et al, 2011]. Actualmente, os benefícios inerentes à tecnologia óptica são em muitos casos, por si só, capazes de justificar a sua utilização. Começa-se, mesmo, a verificar que as soluções ópticas são, em muitos casos, economicamente vantajosas dada a maior flexibilidade na arquitectura da rede de sensores. Mais ainda, em algumas aplicações particulares, como no caso dos ambientes explosivos e centrais nucleares, os sensores em fibra óptica são actualmente a única solução viável [Glisic e Inaudi, 2007]. Para focar as potencialidades dos sensores em fibra óptica na monitorização estrutural, no Quadro 2 resume-se um conjunto de vantagens e desvantagens associadas a esta tecnologia [Glisic e Inaudi, 2007; Udd, 1995; Measures, 2001]. Quadro 2 - Vantagens vs. desvantagens dos sensores em fibra óptica. Vantagens: Imunidade a interferências electromagnéticas (EMI) e frequências rádio (RFI); Apropriada para utilização em ambientes explosivos; Isolamento eléctrico; Imune a corrosão; Tolerante a altas temperaturas; Dimensões reduzidas; Elevada sensibilidade; Apresenta sensibilidade a diversas grandezas físicas; Estabilidade ao longo do tempo; Permite transmissão do sinal ao longo de grandes distâncias face à reduzida atenuação; Esquemas de multiplexagem permitem criar redes de sensores mais eficientes; Matéria-prima muito abundante. Desvantagens: Custo geralmente elevado da maior parte dos componentes; Fragilidade das fibras; Dificuldade de conexões das fibras ópticas.

5 3. MONITORIZAÇÃO ESTRUTURAL DA PONTE DA LEZÍRIA Apresenta-se o sistema de monitorização estrutural baseado na tecnologia das fibras ópticas, mais concretamente em sensores de Bragg, instalado na Ponte da Lezíria. Este sistema, implementado no tabuleiro da estrutura principal sobre o rio Tejo, actua de forma autónoma procedendo ao acompanhamento contínuo de extensões, flechas e temperaturas críticas. 3.1 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 rio Tejo, no Carregado (Portugal) tendo sido inaugurada em Julho de Esta engloba uma extensão total de cerca de 12 km de obras de arte, composta por três subestruturas distintas: viaduto de acesso Norte (1700 m), viaduto de acesso Sul (9160 m) e a ponte propriamente dita sobre o rio Tejo (970 m). No que diz respeito à estrutura principal, esta apresenta uma extensão total de 970 m, dividida em vãos parciais aproximados de x m conforme representado na Figura 4 e ilustrado na Figura 5. A solução estrutural adoptada é constituída por um tabuleiro único em caixão monocelular de betão armado pré-esforçado, construído por avanços sucessivos, com aproximadamente 30 m de largura total e altura variável entre 8 m nos apoios de continuidade e 4 m a meio vão e junto aos pilares de transição. Este tabuleiro é pré-esforçado longitudinalmente por cabos interiores aderentes, complementados por quatro pares de cabos de pré-esforço exterior. A largura do tabuleiro é ainda conseguida por via de grandes consolas laterais que se encontram apoiadas em escoras metálicas que descarregam na laje inferior do caixão [COBA-PC&A-CIVILSER-ARCADIS, 2005]. Figura 4 - Alçado geral da Ponte da Lezíria sobre o rio Tejo, no Carregado (extensão total 970 m). Figura 5 - Vistas gerais da Ponte da Lezíria. 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) existem aparelhos de apoio do tipo panela guiados longitudinalmente. As fundações são indirectas por intermédio de grupos de 8 ou 10 estacas.

6 3.2. Objectivos da monitorização Pretende-se, com a implementação de um sistema de monitorização estrutural, acompanhar o comportamento da estrutura durante a fase de exploração, designadamente na medição de extensões no tabuleiro, flechas e temperaturas que se julgam parâmetros caracterizadores do comportamento local e global da estrutura. Potencia-se, com este sistema de monitorização de longa duração, o desenvolvimento de um registo contínuo com vista à detecção de variações no comportamento da estrutura indiciadoras de avarias como forma de manutenção sustentada da infra-estrutura. Procura-se ainda a caracterização da resposta da estrutura em condições normais de serviço, perante a passagem do tráfego rodoviário corrente ou com a passagem excepcional de veículos de referência. 3.3 Grandezas medidas No Quadro 3, resumem-se as grandezas físicas monitorizadas com recurso à tecnologia óptica, assim como, a quantidade de pontos da estrutura caracterizados cuja distribuição espacial está representada nas Figuras 6 a 8 [Figueiras et al, 2007]. Quadro 3 - Distribuição e grandezas medidas pelo sistema de monitorização de base óptica da Ponte da Lezíria. Extensão Grandeza Localização Quantidade Banzo inferior e banzo superior das secções de todos os meios-vão e secções junto aos apoios de continuidade Flechas Meio-vão e secção de referência: PTN3, P2 e P7 11 Temperatura Secções representativas Figura 6 - Localização esquemática (em alçado) das secções onde se mede a extensão (total 15 secções). Figura 7 - Localização esquemática (em alçado) das secções onde se mede a flecha (total 11 secções). Figura 8 - Localização esquemática (em alçado) das secções onde se mede a temperatura (total 5 secções). A medição de extensões no tabuleiro da ponte é realizada com recurso a 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 encontram-se instalados dois transdutores de deformação, alinhados longitudinalmente, estando um localizado na laje superior e o outro na laje inferior do caixão (ver distribuição em corte na Figura 9), perfazendo, deste modo, um total de 30 transdutores de deformação de base óptica em funcionamento [Figueiras et al, 2007].

7 Figura 9 - Localização esquemática, em corte transversal, da instrumentação óptica. Com recurso ao método dos níveis líquidos e a transdutores para medição do nível hidrostático são medidas as flechas da estrutura em todos os meios vãos, perfazendo, desta forma, oito pontos de medição distribuídos ao longo da estrutura. São ainda utilizadas como referência e como meio de controlo do sistema as medições realizadas sobre o PTN3, P2 e P7 [Figueiras et al, 2007]. É ainda medida a temperatura em 10 pontos criteriosamente seleccionados [Figueiras et al, 2007]. 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 Transdutores Com vista à aplicação prática e efectiva dos sensores de Bragg nas estruturas reais da engenharia civil e com vista à medição das grandezas físicas representativas do comportamento estrutural foram desenvolvidos transdutores, de caracteristicas e desempenho adequado para a corrente aplicação prática [Rodrigues et al, 2011]. Transdutor de embeber para medição de deformação As estruturas de betão armado levantam um conjunto de especificidades relacionadas com a medição de deformação e com os respectivos transdutores. Procura-se que os transdutores exibam um comportamento adequado durante as diferentes condições da estrutura, nomeadamente face ao surgimento de fendilhação moderada. Pretende-se igualmente que sejam robustos o suficiente para aguentar com a adversidade da betonagem, durante a construção da estrutura, de forma a poderem ser embebidos no betão. Com este propósito foram desenvolvidos, no LABEST/FEUP, transdutores específicos para embeber no betão. Na Figura 10 apresenta-se o elemento sensor em apreço. Figura 10 - Transdutor de embeber no betão para medição de deformação com base em sensores de Bragg.

8 Este transdutor, com geometria e propriedades mecânicas criteriosamente estudadas, demonstrou ser capaz de caracterizar correctamente a deformação média instalada ao longo do desenvolvimento do transdutor, prevendo-se um comportamento satisfatório em caso de fendilhação moderada do betão. Estes são constituídos, de forma sumária, por um varão em aço inox com 1.0 m de comprimento, criteriosamente nervurado e munido de duas cabeças de ancoragem nas extremidades. As fibras ópticas, contendo os sensores de Bragg, foram coladas de forma a ficarem alinhadas longitudinalmente, na zona central, do respectivo corpo do varão. Consegue-se a medição de extensões com uma precisão da ordem de 1. Transdutor para medição de flechas com recurso a níveis líquidos A metodologia adoptada para medição de flechas ao longo da estrutura tem como base de funcionamento um nivelamento hidrostático e a aplicação do princípio dos vasos comunicantes a um circuito hidráulico interno, cheio de água, que percorre a estrutura 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 acompanhamento de variações da altura aparente do nível de líquido nos pontos em causa, relativamente a pontos de referência imunes a deslocamentos verticais. Desenvolveram-se transdutores de base óptica capazes de medir, com elevado rigor e estabilidade, níveis hidrostáticos associados à medição de flechas. O resultado final do transdutor desenvolvido no LABET/FEUP está presente na Figura 11. Procedeu-se à sua análise e calibração, em período prévio à sua instalação em obra, onde se verificou a sua capacidade para medição de flechas com um erro inferior a 0.5 mm [Rodrigues et al, 2010] Arquitectura da rede de sensores Figura 11 - Transdutor para medição de flechas com base em níveis líquidos munido com sensores de Bragg [Figueiras et al, 2009]. Na Figura 12 esquematiza-se a arquitectura geral da rede óptica instalada na ponte da Lezíria englobando os vários sensores. Esta rede de sensores desenvolve-se ao longo de toda a ponte, compreendendo uma extensão de cabo óptico de cerca de 1250 que alberga 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 os 30 sensores de deformação, os 11 sensores de flecha e os 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. Este posto (PO2-PT) é constituído por um sistema de interrogação de sinal óptico de 4 canais (MOI sm ), um comutador óptico de 1x8 canais (Thorlabs PRO8 OSW8108) e uma unidade CPU do tipo industrial. Adoptou-se, neste caso, um equipamento comercial de interrogação de sinal óptico, baseado num laser de varrimento sintonizado, tendo capacidade para interrogação paralela e simultânea de 4 canais ópticos com frequência de aquisição máxima de 500Hz.

9 Figura 12 - Configuração esquemática da rede de sensores ópticos e respectivos equipamentos. De acordo com a natureza das grandezas medidas e com a distribuição dos transdutores na ponte, procedeu-se à distribuição dos diversos sensores por diferentes fibras ópticas. Os sensores ficaram assim agrupados em fibras ópticas distintas (ramos) sobre as quais se adoptaram esquemas de multiplexagem espacial em série englobando um máximo de 10 sensores de Bragg com comprimentos de onda de referência distintos. A configuração acima preconizada conduz à distribuição de três fibras para ligação exclusiva dos transdutores deformações, combinada com cinco fibras para ligação combinada dos transdutores de flechas e das temperaturas. Destaca-se que a combinação do equipamento apresentada conduz a uma disponibilidade de três canais ópticos obtidos directamente no interrogador óptico para ligação das três séries afectas aos transdutores de deformação, podendo atingir frequências de aquisição máximas de 500 Hz (limitado pelo interrogador de sinal). Paralelamente, cinco dos oito canais ópticos disponíveis no comutador óptico estão disponíveis por multiplexação temporal do quarto canal do interrogador para ligação dos restantes transdutores, comportando frequências de aquisição significativamente mais baixas (limitado pelo comutador óptico). Por último, importa referir que o presente sistema de monitorização está enquadrado numa rede de comunicação que engloba os vários sistemas distribuídos de aquisição e digitalização de dados provenientes dos restantes sensores eléctricos. Esta permite a interligação de todos os postos de observação locais a um posto de observação central. Esta rede de comunicação, também em fibra óptica, estende-se para além na presente estrutura também para os viadutos de acesso igualmente monitorizados. Os dados recolhidos na obra são enviados para um servidor localizado no dono de obra, sendo inseridos numa base de dados. Uma aplicação web, acessível para utilizadores devidamente credenciados, permite posteriormente o acesso e a visualização gráfica dos dados a partir de um qualquer PC.

10 3.6. Instalação A instalação do presente sistema de monitorização foi uma tarefa complexa obedecendo a uma coordenação com a frente de obra que conduziu, muitas vezes, a períodos de instalação apertados, nomeadamente no que diz respeito à instalação dos sensores embebidos no betão. A instalação dos transdutores ocorreu geralmente ainda durante a construção da estrutura, assumindo um papel essencial a robustez da instalação e dos próprios elementos a instalar. Foca-se, neste contexto, a sequência das tarefas gerais realizadas: i) calibração e preparação em laboratório dos diversos elementos a instalar; ii) instalação dos transdutores de embeber; iii) instalação dos sensores externos; iv) instalação do circuito hidráulico; v) condução de cablagens e interligação dos sensores; vi) instalação do sistema de aquisição; vii) ligação do sistema de aquisição à rede de comunicação. Salienta-se aqui a implementação prática e a integração da rede de sensores ao longo da estrutura. A interligação dos diferentes transdutores dá-se, de acordo com o atrás apresentado, por intermédio do cabo óptico que incorpora seis fibras ópticas e percorre longitudinalmente o interior do caixão da ponte em calha técnica instalada na parede lateral 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). O percurso, ao longo da secção transversal, a partir das caixas de derivação até ao sensor embebido no betão, é realizado no interior de tubagem embutida no betão. No conjunto de imagens da Figura 13 apresentam-se alguns dos aspectos acima referidos relativamente à instalação e ao arranjo final dos sensores instalados na Ponte da Lezíria. Figura 13 - Pormenores da instalação do sistema de monitorização em fibra óptica.

11 3.7. Potencialidades A monitorização estrutural de base óptica decorre segundo dois modos de funcionamento previamente programados de acordo com o preconizado no Quadro 4. Quadro 4 - Frequências de aquisição e modos de funcionamento. Frequência Aquisição Grandeza Modo I Modo II Deformação 1/15min até 500 Hz Flechas + Temperatura 1/15min até 0.5Hz Contempla-se a existência de um modo de aquisição normal, Modo I, segundo o qual o sistema procede à aquisição de dados de todos os sensores com uma periodicidade de 15 minutos. A monitorização preconizada 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. Complementarmente e forma programada é possível accionar um modo de funcionamento rápido, Modo II, no qual a frequência de aquisição poderá ser incrementada para valores que poderão ir até 500 Hz na medição de extensões e/ou 0.5 Hz na medição de flechas. Com este modo de funcionamento potencia-se a caracterização do comportamento estrutural perante a passagem de veículos referenciados, 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. 4. RESULTADOS Ilustra-se o desempenho do presente sistema de monitorização tendo por base os dois modos de funcionamento supracitados. São aqui mostrados os resultados mais relevantes da monitorização estrutural Resultados da monitorização permanente (Modo I) De forma a mostrar o desempenho da estrutura durante a sua fase de exploração, nas Figuras 14 a 16, ilustra-se a evolução das temperaturas, extensões e flechas registadas ao longo de aproximadamente um ano e meio de exploração do sistema. A título ilustrativo foram seleccionados sobretudo os registos obtidos na secção central do vão da ponte entre os pilares P6 e P7. Chama-se a atenção para as Figuras 14 e 15 onde se confronta a evolução dos registos no interior dos banzos superior e inferior desta secção transversal (ver posição relativa dos pontos de medição na Figura 9). Relativamente a estes resultados destaca-se ainda que as extensões representadas são o resultado da compensação dos efeitos de natureza térmica, quer sobre os sensores, quer sobre a componente de deformação térmica livre dos materiais estruturais.

12 Figura 14 - Evolução das temperaturas, na secção de meio-vão entre os pilares P7 e PTS1, medidas no interior dos banzos superior e inferior do tabuleiro em caixão. Figura 15 - Evolução das extensões, na secção de meio-vão entre os pilares P6 e P7, medidas nos banzos superior e inferior do tabuleiro em caixão. Efeitos sazonais Figura 16 - Evolução da flecha na secção de meio-vão entre os pilares P6 e P7. De forma a proceder a uma análise crítica dos resultados acima apresentados, procura-se avaliar a sazonalidade do comportamento da estrutura muito associada às variações anuais de temperatura e humidade. Verifica-se, no presente caso, que a resposta estrutural, traduzida pelo par de extensões e pela flecha (ver Figuras 15 e 16), está concomitante relacionada com a evolução da temperatura (ver Figura 14) associada aos períodos de arrefecimento e aquecimento anual. Pese embora a resolução da figura não permita destrinçar claramente os ciclos diários, constata-se ainda, em termos gerais, uma maior amplitude da resposta estrutural nos ciclos diários de Verão traduzida pela maior espessura das linhas nos períodos quentes. De referir ainda que, para além da sazonalidade da resposta estrutural, não é perceptível qualquer tendência uniforme nestes registos confirmando que a retracção e fluência global são já pouco significativas nesta fase de maturação dos materiais estruturais.

13 Ciclos diários De forma a melhor avaliar as variações diárias das grandezas atrás referidas, representa-se, na Figura 17, esses mesmos registos mas destacando um período de três dias. a) b) c) Figura 17 - Ciclos diários das várias grandezas monitorizadas na secção de meio-vão entre os pilares P6 e P7: a) temperatura no interior dos banzos superior e inferior da secção transversal; b) variação da extensão no banzo superior e inferior da secção transversal; c) variação da flecha. Observa-se, com maior grau de detalhe, a ocorrência de ciclos diários associados naturalmente a intervalos aproximados de 24 horas. Estes ciclos atingem os seus picos diariamente às 6 e às 18 horas aproximadamente. Verifica-se que os ciclos referidos estão patentes em todas as grandezas analisadas, fazendo prever alguma relação entre estas grandezas. Salienta-se o efeito da temperatura, considerando a sua componente diferencial e uniforme, na deformada global da estrutura, conforme demonstram os resultados apresentados. No entanto, é importante referir que nem todas as grandezas medidas se encontram perfeitamente em fase. Por exemplo, é possível observar que as temperaturas representadas atingem os seus picos em períodos distintos separados por um hiato que pode chegar a 4 horas nos dias de maior insolação. Tal facto está em muito associado ao efeito da insolação e à inércia térmica associada à volumetria e dimensão da estrutura. Correlação entre as grandezas medidas De forma a melhor compreender e quantificar a dependência dos indicadores estruturais atrás referidos é pertinente avaliar o grau e modo de correlação destas diferentes grandezas. Desta forma, representam-se, na Figura 18, as correlações que se julgam mais pertinentes correspondentes às várias componentes da resposta estrutural. a) b) c) Figura 18 - Correlação das grandezas medidas a meio-vão entre P6 e P7: a) flecha vs. variação diferencial de temperatura; b) flecha vs. variação uniforme de temperatura; c) flecha vs. curvatura a meio-vão.

14 É de salientar a boa correlação da flecha a meio-vão, quer com a respectiva curvatura, quer com variação de temperatura diferencial nessa mesma secção (Figuras 18.a) e 18.c)). Verifica-se, por outro lado, uma fraca correlação entre a variação uniforme da temperatura e a respectiva flecha tal como seria de esperar (Figura 18.b)). Pese embora se considere que a descrição detalhada ultrapassa o âmbito deste artigo, é de referir ainda que os resultados obtidos estão em conformidade com um modelo numérico que permitiu aferir qualitativamente a reposta da estrutura induzida por variações de temperatura. Limites de vigilância e alerta Face à evolução registada ao longo do primeiro ano de serviço da estrutura, propôs-se ainda um conjunto de alarmes. Estes são activados sempre que se observem registos comportamentais desviantes relativamente ao padrão do primeiro ano de observação. Neste momento estão já implementados dois níveis de alarme correspondentes às zonas de aviso e de alerta esquematicamente representadas na Figura 19. Figura 19 Representação esquemática dos níveis de alarme correspondentes às zonas de aviso e alerta associadas à evolução da flecha a meio-vão. Os referidos alertas são enviados através da base de dados para as entidades técnicas competentes através de e SMS. Cada nível acarreta níveis de intervenção diferentes. Ao violar a zona de aviso, espera-se, por parte dos técnicos, um acompanhamento cuidadoso da evolução futura da estrutura, sendo no entanto de prever a sua rápida normalização. Na zona de alerta exige-se já uma análise cuidadosa do comportamento estrutural, pode estar-se perante danos estruturais, podendo-se justificar medidas excepcionais de inspecção e vigilância caso se mantenha um comportamento anómalo. Prevê-se que, de futuro, estes níveis possam ainda ser refinados tendo em conta a influência das acções ambientais e os efeitos diferidos dos materiais Resultados de campanhas de monitorização de curta duração Acções do tráfego rodoviário Associado às frequências de aquisição mais elevadas remete-se para a Figura 20 a caracterização da resposta estrutural, no vão P6-P7, associada ao tráfego rodoviário, obtida durante o período de 1 hora de observação. Nesta figura, os efeitos da temperatura foram filtrados, encontrando-se destacados os picos de extensão associados à passagem de veículos relevantes. Mostra-se igualmente os histogramas de efeitos. A realização de campanhas de caracterização neste âmbito permite caracterizar os efeitos da acção rodoviária de forma regular e sistemática.

15 Inf. Sup. N. ocorrência Sup. Inf Extensão (x10-6 m/m) Figura 20 - Detecção de picos (eventos) de extensão associados ao tráfego rodoviário no vão P6-P7 e respectivo histograma de efeitos durante um hora de observação. De forma geral, relativamente a estes resultados, importa ainda assinalar o facto da amplitude de extensões induzidas pelo tráfego rodoviário ser significativamente menor do que a referida amplitude associada aos ciclos térmicos diários. Uma vez mais fica patente a importância da acção térmica na avaliação do desempenho estrutural, nomeadamente quando comparada com a solicitação rodoviária. Traçado de linhas de influência Salienta-se mais uma potencialidade associada à possibilidade de aquisições de maior frequência. Esta possibilita o traçado de linhas de influência de extensões nas várias secções instrumentadas, associadas à passagem de veículos correntes. Na Figura 21 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 (veículo pesado a circular a uma velocidade média de 75 km/h). Figura 21 - Linhas de influência obtidas durante a passagem de um veículo em condições normais de circulação. Neste particular os autores gostariam de salientar as potencialidades desta funcionalidade numa perspectiva de caracterizar periodicamente a resposta estrutural perante a passagem de um veículo convenientemente caracterizado. A passagem deste veículo poderá mesmo ocorrer sem necessidade de perturbar as condições normais de funcionamento desta infra-estrutura. A caracterização desta resposta e a avaliação da sua evolução ao longo do tempo será um aspecto de maior importância na aferição do correcto desempenho da estrutura ao longo da sua exploração.

16 5. CONCLUSÕES Apresentou-se as mais-valias e as particularidades associadas à monitorização estrutural com enfoque para a instrumentação baseada em fibra óptica e nos sensores de Bragg. Destacou-se as vantagens desta tecnologia cada vez mais emergente relativamente às soluções convencionais de natureza eléctrica. Passou-se à explanação do sistema de monitorização de base óptica instalado na Ponte da Lezíria para acompanhamento contínuo do comportamento estrutural. Apresentou-se a metodologia adoptada para monitorização da deformação ao nível das lajes superior e inferior do tabuleiro da ponte, para monitorização das flechas a todos os vãos da ponte e para monitorização das temperaturas mais representativas. Desenvolveram-se transdutores específicos para medição destas grandezas. Mostrou-se a arquitectura e os aspectos mais relevantes relacionados com a implementação de um sistema avançado de monitorização estrutural integralmente baseado em fibra óptica. Com o sistema exposto propõe-se acompanhar a evolução da deformada global da estrutura por medição directa de flechas e curvaturas a meio-vão. Procurou.se relacionar estas grandezas com as acções ambientais e com as propriedades diferidas dos materiais e préesforço. Atendendo ao facto da frequência de aquisição poder ir até 500 Hz, tornou-se igualmente possível obter o traçado de linhas de influência, quer de extensões, quer de curvaturas, com a passagem de veículos correntes em circulação normal. Espera-se, com a combinação das várias vertentes da monitorização estrutural apresentada, a implementação de um conjunto de indicadores relevantes para aferição e controlo do comportamento estrutural. Procura-se com o sistema apresentado contribuir para o incremento da vida útil desta importante infra-estrutura rodoviária, sustentando a sua utilização em condições optimizadas de segurança e de economia. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Brisa Auto-estradas de Portugal, S.A. e ao consórcio construtor TACE ACE a colaboração e o apoio prestado. Agradece-se igualmente à equipa da 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 Artungo I. et al. Cost forecasting of passive components for optical fiber network deployments. Optical Fiber Technology, Casas J.R. e Cruz P.J.S. Fiber optic sensors for bridge monitoring. Journal of Bridge Engineering, (6): p 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/IC3, Culshaw B. e Kersey A. Fiber-optic sensing: A historical perspective. Journal Of Lightwave Technology, :9-12: p

17 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, Figueiras J., Rodrigues C. e Félix C. Transdutor para medição de deslocamentos verticais. Patente Industrial PT104250, PCT/PT2009/ Glisic B. e Inaudi D. Fibre optic methods for structural health monitoring. 2007, John Wiley & Sons. Graver T., Inaudi D. e Doornink J. Growing market acceptance for fiber-optic solutions in civil structures. in Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Kashyap R. Fiber Bragg gratings. Optics and photonics. 1999, Academic Press. Kersey, A.D. et al. Fiber grating sensors. Journal of Lightwave Technology, (8): p Li H.N., Li D.S. e Song G.B. Recent applications of fiber optic sensors to health monitoring in civil engineering. Engineering Structures, (11): p Majumder M., et al. Fibre Bragg gratings in structural health monitoring-present status and applications. Sensors and Actuators, A: Physical, (1): p Measures, R.M. - Structural monitoring with fiber optic technology. 2001, Academic Press. Melle S.M., Liu K.X e Measures R.M. Practical Fiberoptic Bragg Grating Strain-Gauge System. Applied Optics, (19): p Othonos A. Fiber Bragg gratings. Review of Scientific Instruments, (12): p Rodrigues C., Félix C, Lage A. e Figueiras J. Development of a long-term monitoring system based on FBG sensors applied to concrete bridges. Engineering Structures, (8): p Rodrigues C., Félix C. e Figueiras J. Fiber optic based displacement transducer to measure bridge deflections. Structural Health Monitoring, (2): p Udd E. An overview of fiber-optic sensors. Review of Scientific Instruments, (8): p