ANÁLISE DAS PATOLOGIAS NAS OBRAS DE ARTE DA 2ª CIRCULAR

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1 ANÁLISE DAS PATOLOGIAS NAS OBRAS DE ARTE DA 2ª CIRCULAR Jorge de BRITO F. A. BRANCO J. R. DOS SANTOS Professor Auxiliar Professor Catedrático Assistente IST/ICIST IST/ICIST IST/ICIST Lisboa Lisboa Lisboa SUMÁRIO Para além das suas funções intrínsecas na manutenção das obras de obra, a respectiva inspecção permite tirar ilações relativamente à concepção, construção e exploração das mesmas. Descreve-se uma campanha de inspecção realizada às obras de arte da 2ª Circular em Lisboa e as conclusões que foi possível retirar dos seus resultados. 1. INTRODUÇÃO As obras de arte rodoviárias em zonas densamente urbanizadas estão sujeitas a um conjunto alargado de agentes agressivos e de situações potencialmente conducentes ao desenvolvimento de patologias, de carácter estrutural ou não. Logo à partida, a sua construção obedece a uma calendarização que frequentemente não facilita o controlo de qualidade dos materiais aplicados e dos processos de execução. Aos agentes atmosféricos agressivos usuais (água da chuva, CO 2 atmosférico e outros) juntam-se a poluição com origem no intenso tráfego automóvel. Finalmente, esse mesmo tráfego, sobretudo quando representado por veículos quer muito pesados quer circulando a alta velocidade, concorre para uma degradação precoce de determinados elementos (juntas de dilatação e aparelhos de apoio, entre outros). Esta comunicação apresenta as principais patologias encontradas numa série de 12 obras de arte da 2ª Circular em Lisboa inspeccionadas pelo ICIST a solicitação da Direcção de Projecto

2 dos Acessos de Lisboa (DPAL) da Câmara Municipal de Lisboa (CML) no período entre Abril de 1997 e Maio de O trabalho constou de uma inspecção visual detalhada das estruturas assim como da realização de um conjunto de ensaios e medições. As patologias detectadas são objecto de uma análise crítica, por elemento da construção, tentando-se tirar conclusões dessa mesma análise ao nível da concepção desses mesmos elementos em estruturas futuras. A questão da carbonatação dos elementos estruturais (quase sempre em betão à vista) é também objecto de algumas considerações fundamentadas nos resultados obtidos. 2. OBRAS DE ARTE INSPECCIONADAS Conforme referido, as obras de arte inspeccionadas, todas em betão armado, nalguns casos préesforçado, inserem-se todas na 2ª Circular em Lisboa, tendo sido a seguinte a sequência das inspecções [1]: 1) Viaduto do Ralis (n.º 11-7A); 2) Viaduto da Fonte Nova (n.º 7-3A); 3) Viaduto do Estádio da Luz - Ramo descendente (n.º 8-3A); 4) Viaduto do Estádio da Luz - Ramo ascendente (n.º 8-3B); 5) Viaduto da Estrada da Luz (n.º 8-4A); 6) Viaduto da Avenida Padre Cruz (n.º 8-5A); 7) Viaduto da Estrada das Amoreiras (n.º 8-5C); 8) Viaduto da Rotunda do Aeroporto - Acesso à 2ª Circular (n.º 9-6A); 9) Viaduto da Rotunda do Aeroporto na Avenida das Comunidades Portuguesas (n.º 9-6B); 10) Viaduto da Avenida de Berlim (n.º 9-6C); 11) Viaduto do Ramo da 2ª Circular (junto à Avenida Dr. Alfredo Bensaúde) (N.º 10-7A); 12) Viaduto do Campo Grande (n.º 8-5B). Em termos de descrição estrutural global, as obras de arte inspeccionadas cobrem uma grande variedade de soluções, tendo-se que [1]: as obras 1 e 9, de 3 vãos, são em laje vigada, pré-esforçada longitudinalmente, simplesmente apoiada em pilares em V e com fundações indirectas; a obra 2, de 7 vãos isostáticos, é em laje vigada (Fig. 1, à esquerda), pré-esforçada transversal e longitudinalmente, apoiada em pilares em X, ligados por carlingas préesforçadas em caixão, com fundações indirectas e encontros perdidos; as obras 3 e 4 são pórticos laje - paredes (de 2 e 1 vão respectivamente), com fundações presumivelmente directas; as obras 5 e 7, de 1 vão isostático, são em laje vigada, pré-esforçada longitudinalmente, com muros em betão simples e terra armada, respectivamente, e fundações directas; a obra 6, de 3 vãos sendo o central isostático, é em laje vigada, pré-esforçada longitudinalmente, apoiada em pilares inclinados, com fundações directas e encontros perdidos; a obra 8, de 1 vão, é em pórtico laje vigada (pré-esforçada longitudinalmente) - montantes / muros de testa, com fundações indirectas; a obra 10, de 3 vãos, é em laje vigada, pré-esforçada longitudinalmente, simplesmente apoiada em pilares, ligados no topo por uma carlinga, com fundações indirectas e encontros perdidos; a obra 11, de 3 vãos, é em laje maciça, presumivelmente pré-esforçada longitudinalmente,

3 ligada a pilares-parede, com fundações presumivelmente directas e encontros tipo cofre; a obra 12, de 12 vãos, é em laje vigada (Fig. 1, à direita), pré-esforçada longitudinalmente, apoiada em pilares-parede, ligados por carlingas em T invertido, com fundações directas e encontros tipo cofre. Fig. 1 [1] - Viaduto da Fonte Nova, à esquerda, e Viaduto de Campo Grande, à direita Para a maioria destas obras, a CML disponibilizou os desenhos do projecto, o que facilitou a percepção do seu funcionamento estrutural. 3. ANÁLISE DAS PATOLOGIAS 3.1 Descrição das patologias detectadas Antes do mais, interessa definir o âmbito da campanha de inspecção aqui descrita. Procurava-se sobretudo detectar as anomalias de carácter não estrutural ou estrutural, deixando no entanto de fora a avaliação estrutural das obras. Da mesma forma, o projecto de estabilidade e respectivas peças desenhadas foi utilizado, quando disponível, apenas para melhor orientar a inspecção. A este respeito, uma das primeiras conclusões que se retirou referiu-se à utilidade que a análise desses elementos antes da inspecção pode na realidade ter. De uma forma simplista, dividiu-se as patologias detectadas em três grupos [1]: a) as estruturais, construtivas ou de comportamento estrutural; b) as de durabilidade, frequentemente com incidência estrutural; c) as não estruturais, relacionadas com a manutenção corrente (elementos não estruturais). Fez-se um levantamento estatístico da variedade e frequência das patologias detectadas. A Tabela 1 permite visualizar globalmente esse mesmo levantamento. 3.2 Lições apreendidas A primeira conclusão que se retirou desta recolha foi a absoluta necessidade de uma padronização de procedimentos na obra. Para tal, torna-se indispensável o recurso a mnemónicas de inspecção, nas quais são inscritas as principais anomalias expectáveis, e a um

4 entendimento prévio da forma de classificar as diferentes patologias (os casos de fronteira são frequentes e a classificação não é independente da extensão e gravidade das anomalias). A quase ausência na Tabela 1 de algumas anomalias correntes, como as relacionadas com os aparelhos de apoio, explica-se por estes serem frequentemente em chumbo e colocados de forma a não facilitar a sua inspecção. Tabela 1 [1] - Patologias detectadas na inspecção das obras de arte da 2ª Circular em Lisboa Tipo Descrição Frequência [%] a) 1 - fendilhação nos encontros 1 83 a) 2 - vigas / pilares danificadas pelo embate de veículos 67 a) 3 - pilares travados pelo pavimento / perrés 33 a) 4 - pilares inclinados (com articulações esmagadas ou apoios deteriorados) 17 a) 5 - esmagamento do betão junto aos encontros (viga de bordadura e/ou laje) 33 a) 6 - fendilhação nas lajes e/ou vigas 25 a) 7 - deformação / vibração (na passagem dos veículos) excessiva do tabuleiro 17 a) 8 - ausência de laje de transição 17 b) 9 - estalactites na face inferior do tabuleiro 25 b) 10 - escorrimento junto às gárgulas 17 b) 11 - juntas de dilatação deterioradas / abertas com infiltrações 2 83 b) 12 - descasque do betão provocado por corrosão 75 b) 13 - descasque do betão provocado por fogueiras 25 b) 14 - corrosão generalizada 17 b) 15 - corrosão pontual 83 c) 16 - guarda-corpos danificados 3 / inexistentes 42 c) 17 - guarda-corpos deteriorados 4 92 c) 18 - sistema de drenagem deteriorado / ineficiente 50 c) 19 - infiltrações nos encontros 83 c) 20 - acumulação de detritos / vegetação 75 c) 21 - acrotérios deteriorados 58 c) 22 - betuminoso deteriorado (nas juntas) 67 c) 23 - taludes com assentamento e/ou vegetação excessivos 33 c) 24 - passeios e guarda-rodas deteriorados / inexistentes 25 c) 25 - separador danificado 25 c) 26 - vigas de bordadura quebradas, em perigo de queda 17 c) 27 - sistema de iluminação deteriorado 8 1 devida sobretudo a assentamentos diferenciais e/ou variações termo-higrométricas; 2 eventualmente preenchidas com betuminoso ou detritos; 3 pelo embate de veículos ou por danificação do sistema de encastramento; 4 corroídos (os metálicos) ou corroídos / descascados (os de betão). Passando agora à análise da Tabela 1, constata-se que as patologias mais frequentes são as de durabilidade e as não estruturais. Estas últimas resultam, na maior parte dos casos, da irregularidade com que são efectuadas as inspecções e da reduzida manutenção das obras. As inspecções de carácter visual deverão ser frequentes, periódicas e, durante as mesmas, devem ser efectuados os trabalhos de manutenção corrente de pequena monta, o que permitiria evitar patologias como as 20, 23, 24, 25 e 27. Em relação a algumas das patologias apresentadas, fazse agora uma análise mais detalhada.

5 Os encontros são dos locais onde mais frequentemente são detectados defeitos, encontrando-se as patologias 1, 19 (Fig. 2, à esquerda) e, muitas vezes, as 11, 18 e 20 associadas. Tal deve-se em geral aos seguintes factores, que importa eliminar: a falta de adequação das fundações dos encontros, a ausência de armadura horizontal suficiente para o controlo da fendilhação, a utilização de betão de pior qualidade do que no resto da estrutura, a ausência de impermeabilização e/ou drenagem no tardoz, a falta de limpeza da zona dos apoios, para além dos factores associados ao sistema de drenagem do tabuleiro e às juntas de dilatação, que serão referidos adiante. Refira-se que as patologias 5 (Fig. 3, à direita) e 26 podem também ser associadas a problemas de fundação nos encontros, ainda que se possam dever a outras causas. Outro aspecto que ocorre com uma frequência inesperadamente elevada é o embate de veículos (patologia 2 - Fig. 2, à direita), sobretudo nas vigas, ligado naturalmente à falta de gabarito. Tal deve-se por vezes ao não cumprimento por parte dos utentes das regras estabelecidas (e por vezes sinalizadas) e à falta de eficiência dos meios dissuadores. No entanto, constatou-se que as sucessivas repavimentações sob as obras de arte e o seu deficiente traçado propiciavam este tipo de situação. Daí que seja recomendável um aumento do gabarito mínimo de 0.50 m em relação aos limites actuais. Fig. 2 [1] - À esquerda, escorrimento de águas num encontro e, à direita, indícios do embate de veículos numa viga O travamento dos pilares pelos pavimentos e/ou perrés (patologia 3), se bem que não muito frequente, poderia facilmente ser eliminado através da consideração de juntas entre os mesmos e os elementos verticais. Recorde-se que esta situação pode levar a danos não previstos nos pilares durante a ocorrência de um sismo. O sistema de drenagem, quando deteriorado ou ineficiente (patologia 18), é responsável directo ou indirecto por diversas outras patologias: 9, 10, 12, 14 e 15. Associada à questão da corrosão das armaduras dos elementos estruturais, está também com muita frequência a ausência, inadequação ou deterioração da membrana impermeabilizante do tabuleiro. Estes dois factores são os principais responsáveis por este tipo de patologia, presente em todas as obras de arte inspeccionadas, e indiscutivelmente o mais frequente. Outros factores, como a deficiente qualidade do betão e o insuficiente recobrimento das armaduras, contribuem para facilitar o ataque das armaduras. Em obras novas, advoga-se um aumento do nível exigencial do projecto de drenagem e impermeabilização das obras de arte e o cumprimento das regras no domínio da concepção com durabilidade de estruturas de betão armado (NP ENV 206).

6 As juntas de dilatação revelam-se muito frequentemente como uma fonte potencial de problemas, sendo dos elementos de menor durabilidade. Daí que, dentro do possível, seja recomendável a minimização do seu número (preferindo soluções monolíticas em vez de isostáticas). Quando colocadas, deve ser previsto e mantido desentupido o seu sistema de drenagem (para fora da envolvente da construção e de forma a evitar o assentamento de taludes - patologia 23) e a sua concepção deve ser tal que evite que existam partes soltas ou o seu preenchimento com betuminoso (que eventualmente se deteriora - patologia 22 - Fig. 3, à esquerda). Fig. 3 [1] - À esquerda, deterioração do betuminoso sobre a junta do encontro e, à direita, viga de bordadura esmagada de encontro ao encontro por rotação do tabuleiro no plano horizontal Nas patologias mais frequentes encontram-se ainda as relacionadas com os guarda-corpos (patologias 16 e 17 e, indirectamente, 26), que resultam de várias causas: má concepção, falta de assiduidade da manutenção (na substituição de elementos danificados e na pintura de elementos metálicos), utilização de materiais inadequados (o betão armado, em geral de baixa resistência e não pintado, não é adequado neste tipo de elemento, em face das reduzidas dimensões e recobrimento das armaduras e da particular agressividade do ambiente - Fig. 4, à direita) e outras. Os acrotérios não têm importância estrutural, pelo que são frequentes os feitos em alvenaria. Como estão sujeitos a ciclos seco-molhado e variação de temperatura, mesmo quando executados em betão armado apresentam frequentemente deterioração acentuada. Daí que se preconize a sua pintura e a adopção de recobrimentos de armadura significativos. Fig. 4 [1] - À esquerda, descasque do betão devido a fogueiras e, à direita, guarda-corpos de betão armado fortemente degradado

7 Finalmente, é frequente detectar-se a utilização do espaço coberto sob as obras de arte por pessoas sem abrigo. Trata-se de um problema social em viadutos urbanos que não pode ser resolvido pelos donos das obras de arte e que provoca nestas diversos problemas: patologias 13 (Fig. 4, à esquerda) e 20. Para além da vigilância policial para evitar estas situações, as obras de arte devem ser concebidas por forma a não as propiciar. 4. CAMPANHA DE ESCLERÓMETRO 4.1 Descrição do ensaio e do seu âmbito e validade Em 11 das 12 obras de arte, procedeu-se a uma campanha de ensaios com um esclerómetro. Trata-se de um ensaio não destrutivo que permite estimar a resistência do betão superficial. Baseia-se numa relação empírica que se estabelece entre a dureza do betão e a sua resistência, medindo-se o recuo de uma massa calibrada que é comprimida contra a superfície do betão com uma mola e depois solta. O deslocamento da massa indica o índice esclerométrico N, relacionado com a resistência média à compressão do betão f cm. Os resultados são influenciados por uma série de parâmetros, que inclui o tipo de cimento e de agregados, a humidade, as irregularidades da superfície, a carbonatação superficial, etc., pelo que devem ser usados com algum cuidado e tendo em conta pelo menos 10 medições em dada ponto de ensaio. O ensaio está vocacionado sobretudo para análises comparativos do betão em várias zonas da mesma construção. Uma vez que o número de zonas analisadas nas diversas obras não era, em geral, suficiente para validar estatisticamente as conclusões de carácter numérico a seguir apresentadas, estas devem ser encaradas com alguma reserva. Apesar desta limitação, permitem potenciar tendências, já posteriormente observadas em ensaios noutras obras de arte. 4.2 Análise dos resultados Refira-se, antes do mais, que, em 11 obras de arte, não estavam disponíveis os projectos ou quaisquer peças desenhadas de 4 delas (36 %). Com base nos projectos existentes, foi possível constatar que, na maioria dos casos, seriam as seguintes as classes do betão preconizadas nos diversos elementos estruturais [1]: na superestrutura (lajes, vigas e pilares ou montantes), B35 em geral; provavelmente B20 ou B22.5 em montantes de pórticos (obras 3 e 4) e excepcionalmente B40 (obra 5); nos encontros, B25 a B35 (este último, o mais corrente); nas fundações, B18 a B22.5; excepcionalmente B35. Os resultados in-situ, com as reservas apresentadas acima e para um coeficiente de variação δ considerado fixo de 15 % (valor recomendado na bibliografia da especialidade para betões correntes), indiciam, na maioria dos casos, uma reserva adicional de resistência (normal nas obras bem executadas) [1]: na superestrutura, em geral B35 a B50 e mesmo mais; nas obras 3 e 4, B15 a B20; por falta de acesso, não foi possível analisar a superestrutura de algumas obras de arte;

8 nos encontros, os resultados variaram bastante entre B20 e B50, tendo-se registado um decréscimo de resistência em duas obras de arte; as fundações, por falta de acesso, não foram analisadas. Talvez pelo maior controlo de qualidade normalmente associado à execução de obras de arte, não se detectaram mais do que situações pontuais, estatisticamente sem significado, de heterogeneidades ao nível da resistência dentro do mesmo tipo de elemento estrutural da mesma obra de arte. Constatou-se que as situações de incumprimento tendem a ocorrer mais para as classes de resistência de projecto mais baixas, associadas a menor qualidade de execução e do respectivo controlo, e em elementos como os encontros e, eventualmente, as fundações. Em termos da utilidade deste ensaio numa campanha de inspecção, os resultados apresentados tornam-na evidente. 5. CAMPANHA DE MEDIÇÃO DA CARBONATAÇÃO 5.1 Descrição do ensaio e do seu âmbito e validade O betão é tipicamente um material alcalino (ph 12.5). Devido à penetração de CO 2 (atmosférico ou contido nos gases de escape do tráfego) através da sua superfície, pode formarse ácido carbónico que neutraliza a alcalinidade do betão. Neste processo de carbonatação, se o ph desce junto às armaduras para valores abaixo de cerca de 9, a corrosão das mesmas apenas necessita da existência de oxigénio e humidade para se iniciar. A profundidade da frente de carbonatação (usualmente abreviada para profundidade de carbonatação), correspondente ao limite de ph acima referido, obtém-se facilmente recorrendose à pulverização de uma zona descascada de betão com um produto à base de fenofetaleína que, para ph < 9, passa de rosa para incolor (à superfície). Para se conseguir uma validade estatística nestas medições, o seu número tem geralmente de ser mais elevado do que aquele que foi efectuado nas diversas obras de arte durante esta campanha de inspecção. Por outro lado, a frente de carbonatação tem um traçado por vezes bastante irregular, o que dificulta a interpretação dos resultados in-situ. A despassivação das armaduras pode também dar-se por penetração de cloretos, o que, nesta campanha de inspecção, não era expectável, mas podia ocorrer localmente. Finalmente, a ocorrência de infiltrações (propiciando geralmente corrosão muito acelerada) mascara os resultados deste ensaio por lixiviação do CO 2, pelo que nessas zonas os resultados não são válidos. 5.2 Análise dos resultados Como referido acima, das 11 obras de arte em que este ensaio foi efectuado, não estava disponível o projecto em 4 casos. Nos restantes, não estavam disponíveis os valores preconizados do recobrimento das armaduras (todos estes projectos tinham, à data da inspecção, cerca de 25 anos, com uma única excepção). Daí que os valores a seguir

9 apresentados tenham sido obtidos in-situ (com todas as irregularidades resultantes da construção) e tenham uma validade estatística pequena (para além da dificuldade de acesso ter impedido diversas medições) [1]: nos encontros, os recobrimentos registados variaram entre 18 e 40 mm, correspondendo a valores preconizados de 25 a 30 mm; nos pilares e/ou montantes, os valores registados foram de 22 a 40 mm (varões longitudinais), para valores de projecto prováveis da mesma ordem de grandeza; nas vigas e carlingas, registaram-se recobrimentos de 13 a 20 mm em estribos e de 23 a 35 mm em varões longitudinais (valores de projecto prováveis de mm e mm, respectivamente); finalmente, nas lajes, os valores registados foram de 14 a 37 mm, para valores médios da ordem dos mm. Em relação a estes valores, ressalta o facto de serem, à luz dos actuais conhecimentos e imposições regulamentares relacionados com a durabilidade, deficientes por pelo menos 10 mm. A necessidade de prever espessuras de recobrimento das armaduras adequadas foi já enfatizada anteriormente. Os valores registados de profundidade da frente de carbonatação foram, em função do tipo de elemento estrutural analisado, os seguintes [1]: em encontros, entre 5 e 40 mm, ou seja, uma grande variabilidade, isto apesar de a idade das obras de arte ser relativamente uniforme; em pilares e/ou montantes 12 a 32 mm; em vigas e carlingas, 10 a 36 mm; em lajes, 10 a 22 mm. Destes últimos valores, podem-se retirar diversas conclusões. A primeira é a maior variação e escala dos valores obtidos quer, dentro da mesma obra de arte, nos elementos estruturais executados com betão de pior qualidade / resistência (os encontros), quer, dentro do mesmo tipo de elemento estrutural, nas obras de arte em que o betão preconizado ou detectado pelo ensaio do esclerómetro era pior. Em termos de elementos estruturais, quando o betão era o mesmo, os elementos mais angulosos, como os pilares / montantes ou as vigas / carlingas, apresentam valores mais elevados que os laminares com apenas uma face exposta (lajes e encontros). A idade média das obras de arte inspeccionadas era de 25 anos, a que correspondia dentro duma regra simplificada de proporcionalidade (factor k) entre a profundidade de carbonatação, x, e a raiz quadrada do tempo, t (x k t ), valores médios de k entre cerca de 2.4 e cerca de 6.0 m ano -1/2. De um modo geral, as armaduras dos diversos elementos das várias obras de arte inspeccionadas estavam a atingir a despassivação, após o que se passaria à fase activa da corrosão. Como excepção pela negativa a esta tendência, registaram-se alguns casos em que a frente de carbonatação já tinha ultrapassado o nível das armaduras, assim como situações em que factores exteriores (betão muito poroso, infiltrações, escorrimento de água e outros) propiciavam a existência de corrosão precoce. Tendo em conta estas constatações, reforça-se ainda mais a necessidade de 1) aumentar o recobrimento preconizado para as armaduras e 2) aumentar o controlo da qualidade (espessura

10 e impermeabilidade) desse mesmo recobrimento. A título de curiosidade, o incremento do recobrimento de 25 para 35 mm, à luz da regra acima preconizada, aumenta o tempo de despassivação em 96 %. Uma última constatação tem a ver com a evidente utilidade deste ensaio na avaliação da durabilidade das obras de arte inspeccionadas. De facto, uma maior profundidade de carbonatação correspondeu sempre a um intensificar da sintomatologia relacionada com a corrosão, permitindo também confirmar os resultados do esclerómetro (betão menos resistente maior profundidade da frente de carbonatação). Com todas as ressalvas acima referidas, o ensaio permite também dar indicações sobre o tempo de vida útil remanescente expectável para as estruturas existentes (em termos de corrosão das armaduras promovida pelo mecanismo da carbonatação). 6. OUTRAS MEDIÇÕES A título meramente de referência, registe-se que foram ainda efectuadas, durante esta campanha de ensaios, as seguintes medições [1]: de gabarito (para confirmar o projecto ou na ausência deste); de verticalidade dos apoios (encontros, pilares, montantes e apoios em pêndulo); de abertura de juntas no pavimento de betuminoso; de flechas em vigas (apenas nos casos em que a segurança estrutural esteve em causa); de vibrações na passagem dos veículos (nas mesmas circunstâncias). 7. CONCLUSÕES É possível retirar conclusões das campanhas de inspecção de obras de arte, frequentemente implementadas. A campanha aqui descrita, com forte ênfase na durabilidade das construções, dá algumas indicações importantes no que se refere à concepção, à construção e até mesmo à inspecção deste tipo de estruturas, enunciadas ao longo da comunicação. 8. AGRADECIMENTOS Esta comunicação foi elaborada com base num conjunto de relatórios elaborados no âmbito do ICIST / IST pelos seus autores, a solicitação da Direcção de Projecto dos Acessos a Lisboa (DPAL) da Câmara Municipal de Lisboa (CML). 9. REFERÊNCIAS [1] Branco, F. A.; Brito, J. de; Santos, J. R. dos, Avaliação Estrutural das Obras de Arte da 2ª Circular - 1º ao 12º Relatório, Relatórios ICIST, 1997/1998.