Monitorização Estrutural de Pontes com Sistemas em Fibra Ótica Três Exemplos em Portugal

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1 Monitorização Estrutural de Pontes com Sistemas em Fibra Ótica Três Exemplos em Portugal Carlos Rodrigues Instituto Politécnico do Porto, Instituto Superior de Engenharia. LABEST. Porto Carlos Félix Instituto Politécnico do Porto, Instituto Superior de Engenharia. LABEST. Porto Joaquim Figueiras Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia, LABEST. NewMENSUS, Lda., Porto RESUMO: O presente artigo centra-se na monitorização estrutural com recurso a sistemas de medição baseados em fibra ótica. Começa-se por introduzir os principais conceitos em torno desta tecnologia e apresentam-se as vantagens destes sistemas comparativamente com os sistemas convencionais de natureza elétrica. A sua aplicabilidade prática é aqui ilustrada através de três casos de estudo de relevo em Portugal a Ponte Eiffel, a Ponte da Lezíria e o Viaduto do Corgo. Para cada obra, apresentam-se os aspetos mais relevantes da monitorização realizada e analisam-se os principais resultados alcançados. 1 INTRODUÇÃO As entidades responsáveis pelas infraestruturas civis lidam, nos dias de hoje, com o importante desafio da sua exploração em condições otimizadas de segurança e economia. Para a extensão deste desafio muito têm contribuído as crescentes exigências de segurança e de durabilidade das obras em construção, bem como o envelhecimento das muitas estruturas existentes. Neste contexto e focados na avaliação do comportamento das estruturas, os sistemas de monitorização estrutural têm demonstrado o seu potencial na engenharia civil. Aos técnicos, permitem avaliar experimentalmente o comportamento efetivo e a conformidade das estruturas projetadas, estejam elas em fase de construção ou de reabilitação. Às entidades responsáveis pela gestão das infraestruturas, permitem, com recurso a modelos de decisão, calendarizar e tipificar intervenções otimizadas em obra tendo por base as suas necessidades reais (Mufti, 2001). Do ponto de vista operacional, a monitorização estrutural contemporânea tem sido realizada com sistemas específicos com elevado grau de automação e versatilidade. Estes sistemas integram sensores, unidades de aquisição, sistemas de comunicação e software de armazenamento e de processamento de informação (CITYU et al. 2004). Um vasto rol de tecnologias tem sustentado o desenvolvimento destes sistemas. Exige-se no entanto uma profunda e continuada avaliação da fiabilidade e robustez destas soluções no ambiente de obra. A confiança nos sistemas de monitorização está necessariamente relacionada com o desempenho de todos os seus componentes. Constituindo uma alternativa aos sensores elétricos convencionais, os sensores em fibra ótica começaram a conquistar o seu espaço na monitorização ao longo da última década (Graver et al. 2004). Para o sucesso desta tecnologia, muito tem contribuído um conjunto de vantagens que apresenta quando confrontada com as tecnologias convencionais. Realça-se a sua elevada precisão, estabilidade, imunidade a interferências eletromagnéticas, capacidade de multiplexagem em série e flexibilidade.

2 Este artigo pretende dar uma panorâmica geral da introdução da fibra ótica na monitorização estrutural. Retrata a experiência do LABEST consolidada nos últimos 10 anos de investigação e desenvolvimentos nesta área, complementada pelo empreendedorismo mais recente da NewMENSUS. Introduzem-se aqui os principais transdutores desenvolvidos para aplicação na engenharia civil. Recorre-se depois a três aplicações práticas para ilustrar os aspetos mais relevantes dos planos de monitorização implementados e os principais resultados alcançados. 2 INSTRUMENTAÇÃO EM FIBRA ÓTICA 2.1 Princípio de funcionamento Os sensores em fibra ótica recorrem à avaliação das propriedades da luz propagada na fibra para medição das grandezas externas que sobre ela atuam (Udd, 1995). Com base neste princípio, diversas tecnologias têm sido exploradas para avaliar parâmetros mecânicos, físicos e químicos com recurso à medição de variações nas propriedades da luz, tais como a sua intensidade, comprimento de onda, fase ou polarização De entre as tecnologias dos sensores em fibra ótica, os sensores de Bragg, ou Fiber Bragg Gratings (FBG), encabeçam as que mais sucesso têm tido na instrumentação estrutural (Majumder, 2008). Estes sensores baseiam-se numa alteração permanente do índice de refração do núcleo da fibra ótica que confere, a uma porção da fibra, propriedades refletivas espectralmente controladas (Kersey, 1997). O comprimento de onda aí refletido apresenta elevada sensibilidade tanto a variações de extensão como de temperatura conforme se representa na Figura 1. Figura 1. Representação esquemática do funcionamento de um sensor de Bragg. 2.2 Medição de extensões no aço Os sensores de Bragg devido à sua sensibilidade intrínseca e configuração física revelam-se particularmente adequados para a medição de extensões. Pode salientarse a sua reduzida dimensão ( 5 mm) e rigidez, bem como elevada resolução ( 1 με) e estabilidade. Acresce a sua capacidade de multiplexagem em série, imunidade a ruído eletromagnético e uma referência absoluta que se mantém independente das condições de ligação. Constituem desta forma uma alternativa nata aos extensómetros de resistência elétrica convencionais. Procurando obviar algumas das dificuldades levantadas pela colagem direta da fibra ótica na superfície da estrutura, destaca-se a solução ilustrada na Figura 2, desenvolvida e comercializada pela FiberSensing. Nesta solução o sensor de Bragg encontra-se compreendido numa base dupla de poliamida que favorece a sua instalação. Esta base confere uma robustez acrescida ao sensor, assim como permite uma aplicação mais expedita e eficiente do adesivo.

3 Figura 2. Sensor de Bragg para colar em estruturas metálicas para medição de extensões. 2.3 Medição de extensões no betão A medição de extensões nas estruturas de betão apresenta contornos bem distintos dos presentes nas estruturas metálicas. Destaca-se a constituição heterogénea do betão, bem como a eventual presença de descontinuidades, vazios e fendilhação no elemento estrutural. O recurso a sensores com base curta de medida conduz a resultados que podem ser fortemente influenciados por qualquer perturbação local no respetivo campo de extensões. Realça-se, por isso, o interesse em soluções capazes de caracterizar a extensão média num campo mais extenso e representativo do comportamento médio da estrutura. A possibilidade de se poder usar transdutores embebidos no betão, permite ainda medir perfis de deformação a diferentes profundidades do elemento estrutural, sem estarem limitados às suas fibras superficiais. Neste caso verifica-se que o grau de proteção e a robustez exibida pelas soluções de embeber é elevado uma vez que o sensor fica totalmente inacessível e protegido após a instalação. Tendo em conta as especificidades colocadas pelas estruturas de betão, o LABEST desenvolveu soluções próprias para o efeito, como aquela representada na Figura 3. Os transdutores desenvolvidos são capazes de caracterizar a deformação média no betão numa base de referência de um metro podendo este estar fendilhado ou não. Testes laboratoriais demonstram que a resolução alcançada com estes sensores é da ordem de ± m/m (Rodrigues, 2012b). Figura 3. Transdutor de deformação para embeber no betão baseado em sensores de Bragg. 2.4 Medição de deslocamentos verticais A metodologia desenvolvida para medição de deslocamentos verticais relativos (flechas) assenta num nivelamento realizado por intermédio de um circuito hidráulico que percorre a estrutura e contempla todos os pontos cujo deslocamento se pretende medir (ver Figura 4). Este circuito, cheio de água, 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 do nível de líquido (Rodrigues, 2012b). Tendo por base esta técnica de medição, o LABEST desenvolveu transdutores de capazes de medir, com elevado rigor e estabilidade, os níveis hidrostáticos associados à medição das flechas (Figueiras et al. 2008). Testes laboratoriais comprovaram a capacidade de medir flechas com um erro inferior a 0.5 mm com este sistema, mesmo quando sujeito a condições ambientais variáveis, sendo os transdutores desenvolvidos auto-compensados para o efeito da temperatura (Rodrigues et al. 2011).

4 Figura 4. Método dos níveis líquidos para medição de flechas e respetivo transdutor. 3 CASOS DE ESTUDO 3.1 A Ponte Eiffel A primeira aplicação que aqui se apresenta remete para a Ponte Eiffel, uma emblemática ponte centenária com estrutura metálica e tabuleiro duplo para trânsito rodoviário e ferroviário, em dois níveis, servindo a internacional Linha do Minho, em Viana do Castelo (ver Figura 5). Em 2007, foram realizadas umas obras profundas de reabilitação e reforço na estrutura, quando foi substituído o tabuleiro rodoviário (tabuleiro superior) e foram reforçadas as cordas superiores das duas treliças principais. Esta intervenção de reforço envolveu fases críticas, particularmente suscitadas pela necessidade de não interromper o trânsito ferroviário. Sob solicitação do projetista do reforço e do empreiteiro, esta ponte foi durante este processo objeto de várias campanhas de monitorização para aferição do comportamento estrutural. Figura 5. Vistas gerais da Ponte Eiffel, em Viana do Castelo. A monitorização estrutural projetada, de curta duração, cobriu quatro fases distintas do referido processo de reabilitação (Rodrigues et al. 2012a). Esta visou a identificação do comportamento inicial da estrutura antes do reforço (fase I), a avaliação do processo construtivo com as obras em curso (fase II), a análise do comportamento final da estrutura reforçada durante um ensaio de carga (fase III), e ainda o diagnóstico para uma posterior reparação do novo piso rodoviário (fase IV). Neste processo e dadas as condicionantes envolvidas, recorreu-se à instrumentação em fibra ótica, de onde se destaca a medição de extensões mecânicas e perfis de extensão em barras críticas da estrutura. A localização das secções instrumentadas, para uma das fases em estudo, está representada na Figura 6. Adotaram-se sensores de Bragg para colar em estruturas metálicas (ver Figura 2), estando o processo de instalação ilustrado na Figura 7. Exigiam-se períodos de instalação muito apertados, no hiato de alguns minutos entre a passagem de comboios. Recorreu-se a um adesivo de cura rápida, à base de cianoacrilato, capaz de apresentar adequada rigidez e resistência poucos segundos após aplicação.

5 Figura 6. Localização esquemática das secções instrumentadas na Ponte Eiffel (fase III). Figura 7. Processo de instalação dos sensores na estrutura. Na Figura 8 ilustram-se alguns dos resultados alcançados. Em particular, à esquerda, representam-se as linhas de influência na corda superior (C.S.T6.M-V.) durante a passagem de uma locomotiva ferroviária no ensaio de carga no final da obra. O esforço axial na secção, bem como o momento fletor puderam ser estimados uma vez que se comprovou válida a hipótese das secções planas (hipótese de Bernoulli). A linha de influência do esforço axial assim calculada está representada na figura da direita. Confronta-se ainda este resultado com o obtido a partir do modelo numérico. A análise destes resultados encontra-se presentemente publicada (Rodrigues et al. 2012a; Cavadas et al. 2013). Figura 8. Resultados: linhas de influência de extensões na secção C.S.T6.M-V. durante a passagem de uma locomotiva (esq); comparação das linhas de influência do esforço axial (dir.). 3.2 Ponte Lezíria O segundo projeto que aqui se apresenta refere-se à Ponte da Lezíria, sobre o Rio Tejo, no Carregado, integrada na Auto-Estrada A10, da Brisa. A travessia central sobre o Rio Tejo, cuja panorâmica geral se apresenta na Figura 9, é materializada por uma ponte em betão armado, pré-esforçado, com secção em caixão. A monitorização estrutural desta ponte advém do Projeto de Estruturas e do respetivo Caderno de Encargos. A conceção do sistema de monitorização e sua implementação foi da responsabilidade conjunta do LABEST e da NewMENSUS. Estáse perante um sistema permanente que visa o acompanhamento de toda a vida útil da estrutura (Rodrigues et al. 2010). Na Figura 10 localizam-se as secções instrumentadas e as respetivas grandezas observadas.

6 Figura 9. Vista geral da Ponte da Lezíria. Figura 10. Localização das secções instrumentadas na Ponte da Lezíria. A medição de extensões no tabuleiro da ponte é realizada por via de transdutores de deformação de base ótica embebidos no betão (ver Figura 11). Esta alberga um total de 15 secções críticas, designadamente todos os meio-vãos e secções junto aos pilares. Em cada secção instrumentada foram instalados, alinhados longitudinalmente com a estrutura, dois transdutores de deformação, um localizado na laje superior e o outro na laje inferior do caixão, de forma a permitir avaliar a curvatura e a extensão média na respetiva secção (ver secção transversal tipo na Figura 10). Com recurso a um sistema de níveis líquidos que percorre toda a estrutura no interior do caixão são medidas as flechas a todos os meio-vãos. São ainda utilizadas como referência e como meio de controlo do sistema as medições realizadas sobre o PTN, P2 e P7. A integração dos transdutores para medição dos níveis líquidos no interior do caixão da ponte está ilustrada na Figura 11 (centro). Simultaneamente é ainda medida a temperatura em 10 pontos criteriosamente selecionados. Esta informação permite, por um lado, caracterizar as ações ambientais a que a estrutura se encontra efetivamente sujeita e, por outro lado, permite a compensação da sensibilidade dos sensores de Bragg à temperatura, constituindo um aspeto essencial para a correta avaliação das restantes grandezas observadas. Figura 11. Processo de instalação dos sensores na estrutura. Fruto da conceção deste sistema, é possível programar frequências de aquisição máximas de 500 Hz para interrogação simultânea de todos os sensores de deformação. Para os restantes transdutores (transdutores de flechas e temperatura), tendo em conta o seu caráter estritamente estático, limitou-se a frequência de aquisição na ordem do 1Hz. A capacidade de multiplexar os diversos sensores tanto em paralelo como em série foi um aspeto essencial para as potencialidades deste sistema, bem como para a economia final da rede de sensores.

7 Procurando ilustrar o desempenho do sistema ao longo de um período significativo do funcionamento da ponte, representa-se a evolução de temperaturas, extensões e flechas na Figura 12. Estes resultados dizem respeito à secção de meio-vão entre os pilares P6 e P7. São nítidos os respetivos ciclos diários e sazonais. A correlação das diferentes grandezas através de modelos estatísticos tem sido objeto de estudo como forma de avaliar o comportamento da estrutura (Rodrigues, 2012b). Apelando à componente de medição dinâmica, através de campanhas de monitorização programadas a 500 Hz, torna-se possível obter o traçado de linhas de influência sob ação do trânsito rodoviário. Esta é também uma forma de avaliar regularmente o comportamento da estruturas sob ações verticais. A título ilustrativo, mostra-se na Figura 13 o conjunto de linhas de influência para as várias secções de meio-vão resultantes da passagem de um veículo pesado corrente (cerca de 80 km/h). Figura 12. Resultados na secção de meio-vão entre os pilares P6 e P7: a) temperatura nos banzos superior e inferior; b) extensão no banzo superior e inferior; c) variação da flecha. Figura 13. Linhas de influência obtidas com a passagem de um veículo pesado.

8 3.3 Viaduto do Corgo A última aplicação remete para o Viaduto do Corgo. Este constitui a mais recente travessia do vale do Corgo, em Vila Real, integrado na expansão da Autoestrada A4/IP4, atualmente em curso (ver Figura 14). Dada a importância desta obra, foi decidido dotá-la também de um sistema de monitorização estrutural. Mais uma vez é do interesse do projetista, do empreiteiro e do dono da obra a obtenção de informação fiável relativamente ao comportamento da estrutura, durante a sua construção e ao longo dos anos subsequentes, com a estrutura em serviço. Figura 14. Vista geral do Viaduto do Corgo. Para medição das grandezas mais relevantes do ponto de vista estrutural, o plano de instrumentação elaborado baseia-se em instrumentação quer de natureza ótica, quer de natureza elétrica. Neste caso, procuraram-se as soluções mais fiáveis e competitivas para medição de cada grandeza específica (Félix et al. 2012). A indicação das grandezas medidas e a sua distribuição pela estrutura está representada nas Figuras 15 e 16. Refere-se a utilização de um sistema ótico para medição das extensões no betão e nos tirantes de aço internos, das flechas ao longo do tabuleiro e das temperaturas. Recorreu-se mais uma vez aos transdutores atrás representados cujo desempenho e fiabilidade tem sido positivamente validado. Relativamente às restantes grandezas, nomeadamente à força nos tirantes, deslocamentos dos aparelhos de apoio e rotações entende-se que as soluções elétricas são no momento atual mais fiáveis e comprovadas. Faz-se no entanto notar que apesar de estarem envolvidas tecnologias distintas, estas funcionam de forma perfeitamente integrada, sendo articuladas num posto de observação central ainda dentro da própria ponte e sendo disponibilizados ao utilizador final de forma transparente através de uma aplicação web. Figura 15. Localização esquemática das secções instrumentadas no Viaduto do Corgo.

9 Figura 16. Posição esquemática da instrumentação na secção transversal do tabuleiro. Embora o Viaduto do Corgo se encontre em construção no momento em que se elabora este trabalho, o sistema de monitorização estrutural está quase integralmente instalado e tem permitido o acompanhamento das grandezas mais significativas durante o processo construtivo. Existe o registo de deformações no betão, extensões nas diagonais internas, forças nos tirantes e variações de temperatura. De forma a ilustrar o funcionamento deste sistema, apresentam-se alguns dos resultados da fase construtiva. Selecionando os resultados obtidos na frente de obra centrada no P19, representa-se na Figura 17 a variação de extensão registada no betão junto das respetivas aduelas de arranque. São claros os principais efeitos do faseamento construtivo nomeadamente das sucessivas betonagens e aplicação do pré-esforço. Os respetivos esforços normais e de flexão puderam ser estimados a partir das extensões representadas. Para a mesma janela temporal, mostra-se na Figura 18, a variação da extensão nas diagonais internas que fazem a transferência das forças dos tirantes para as almas de betão (ver Figura 16). São mais uma vez nítidos os efeitos induzidos pelo faseamento construtivo. Figura 17. Evolução da extensão do betão na secção T-P19b durante o processo construtivo. Figura 18. Extensões nas diagonais internas da secção T-P19a durante o processo construtivo.

10 4. CONCLUSÕES Entende-se que os sistemas de monitorização apresentados possibilitam o acompanhamento e controlo das várias fases de construção e exploração das infraestruturas envolvidas, validando as hipóteses de cálculo, as técnicas construtivas e aferindo a evolução do comportamento das mesmas. Começou-se por mostrar um sistema temporário visando campanhas de observação de curta-duração na Ponte Eiffel no decorrer de fases críticas da reabilitação estrutural. Mostraram-se depois dois sistemas permanentes, da Ponte da Lezíria e do Viaduto do Corgo, concebidos para avaliação do comportamento das respetivas estruturas ao longo da sua vida útil. O recurso à tecnologia ótica para o efeito revela importantes vantagens relativamente às tecnologias convencionais. Refere-se a sua elevada precisão, estabilidade, imunidade a interferências eletromagnéticas, capacidade de multiplexagem em série e flexibilidade. Os exemplos apresentados demonstram isso mesmo pela fiabilidade e superior qualidade dos resultados obtidos. A viabilidade técnico-económica destes sistemas é hoje em dia já uma realidade. Estes exemplos demonstram isso mesmo visto que competiram com soluções convencionais alternativas. Deve referir-se a contínua diminuição dos custos dos vários componentes envolvidos (sensores, unidades de aquisição, fibra ótica) aliada à flexibilidade das redes de sensores de Bragg muito potenciada pela possibilidade de multiplexagem em série de um número elevado de sensores. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos donos de obra, projetistas e construtores envolvidos nos casos de aplicação apresentados, nomeadamente à REFER, Brisa e AE XXI, à Lisconcebe, Perry da Câmara e SENER/LCW e à Soares da Costa/Socometal, e consórcios TACE ACE e CAET XXI. Agradece-se à ADI, ao QREN e ao FEDER pelo financiamento do Projeto de I&D n NaÓpticaDaNewMENSUS, no âmbito do qual se realizaram alguns dos desenvolvimentos referidos na presente comunicação. Agradece-se ainda à FCT o financiamento da Unidade de Investigação LABEST. REFERÊNCIAS Cavadas, F.; Rodrigues, C.; Félix, C & Figueiras, J Post-rehabilitation assessment of a centenary steel bridge through numerical and experimental analysis. Journal of Constructional Steel Research 80: CITYU, EMPA, OU, UMINHO, USTUTT Evaluation of monitoring instrumentation and techniques. Sustainable Bridges technical report. Félix, C. et al Conceção e implementação do sistema de monitorização estrutural do Viaduto do Corgo. BE Encontro Nacional Betão Estrutural 2012; Porto. Figueiras, J.; Félix, C. & Rodrigues, C Transdutor para medição de deslocamentos verticais. Universidade do Porto, Instituto Politécnico do Porto. Patente Portuguesa PT Graver, T.; Inaudi, D. & Doornink, J Growing market acceptance for fiber-optic solutions in civil structures. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. Kersey, A.D. et al Fiber grating sensors. Journal of Lightwave Technology 15(8): Majumder, M., et al Fibre Bragg gratings in structural health monitoring - Present status and applications. Sensors and Actuators, A: Physical 147(1): Mufti, A Guidelines for structural health monitoring. ISIS, Canada. Rodrigues, C.; Félix, C.; Lage, A. & Figueiras, J Development of a long-term monitoring system based on FBG sensors applied to concrete bridges. Engineering Structures 32(8). Rodrigues, C.; Félix, C. & Figueiras, J Fiber optic based displacement transducer to measure bridge deflections. Structural Health Monitoring 10(2): Rodrigues, C.; Cavadas, F.; Félix, C & Figueiras, J. 2012a. FBG based strain monitoring in the rehabilitation of a centenary metallic bridge. Engineering Structures 44: Rodrigues, C. 2012b. Monitorização de estruturas de engenharia civil apoiada em soluções de fibra óptica. Tese de Doutoramento; Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia Udd, E.1995 An overview of fiber-optic sensors. Review of Scientific Instruments 66(8):