MONITORIZAÇÃO NA CONSTRUÇÃO E NA CONSERVAÇÃO DE
OBRAS DE ARTE
Structural health monitoring in construction and conservation of bridges
Carlos Félix (1); Carlos Rodrigues (2); Remy Faria (3); Joaquim Figueiras (4)
(1) Professor Coordenador, Instituto Superior de Engenharia do Porto /NewMENSUS, Lda.
(2) Doutor, NewMENSUS, Lda
(3) Mestre, NewMENSUS, Lda
(4) Professor Catedrático, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto / NewMENSUS, Lda.
NewMENSUS, Lda. Rua Actor Ferreira da Silva, 100. 4200-298 Porto. Portugal. [email protected]
Resumo
As infraestruturas de transporte constituem um património de elevado valor, não só em termos de
investimento, mas também no suporte ao desenvolvimento tecnológico dos Estados e ao bem-estar da
sociedade.
Os sistemas de monitorização da integridade estrutural disponibilizam atualmente meios inovadores que
contribuem para a avaliação das condições de segurança estrutural e da durabilidade de obras de arte e
permitem aumentar o conhecimento acerca do seu funcionamento, por via da aferição de modelos
numéricos. Por outro lado, avaliam a conformidade das estruturas executadas, através da condução de
ensaios de carga, apoiam o controlo à execução e acompanham o seu ciclo de vida útil.
Nesta apresentação descrevem-se os elementos constituintes dos atuais sistemas de monitorização
estrutural, as suas fases de desenvolvimento e apresentam-se casos de obra em que tais sistemas foram
aplicados, trabalhos estes conduzidos em parceria pelas equipas do Laboratório da Tecnologia do Betão e
do Comportamento Estrutural (LABEST) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) e
pela empresa NewMENSUS, Lda. Em particular, são apresentadas as mais recentes aplicações dos
sensores em fibra ótica, os mais recentes desenvolvimentos na utilização do GNSS na monitorização dos
deslocamentos e a experiência na utilização de sensores de corrosão das armaduras. É ainda apresentado
o portal Web de suporte aos designados sistemas de gestão de obras de arte, onde toda a informação
relativa a cada obra pode ser consultada, com elevado grau de interatividade.
Palavra-Chave: Monitorização da integridade estrutural, Pontes e viadutos, Ensaios de carga
Abstract
The infrastructures represent nowadays an important value, not only in terms of investment but also
supporting the development of States and societies.
The structural health monitoring systems are innovative tools that allow a reliable assessment of the
structural condition and durability throughout their service life. The experimental results can be compared
with numerical analyses allowing an improved clarification of new structures behavior. Moreover, loading
tests allow the effective structural condition appraisement of new and existing infrastructures.
The main aspects of structural and durability monitoring systems are presented in this paper covering their
development phases and their installation on real infrastructures. A set of projects developed in cooperation
between LABEST from the Faculty of Engineering of the University of Porto and NewMENSUS are used to
illustrate the monitoring strategy. The main developments focus on the fiber optic sensors, on the GNSS
application for measuring displacements, and on corrosion detection in reinforced concrete structures. A web
interface developed to support the infrastructure management based on monitoring results is also
introduced.
Keywords: Structural health monitoring, Bridges and viaducts, Loading tests
ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2012 – 54CBC
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Introdução
A avaliação das condições de utilização das estruturas de engenharia civil constitui
atualmente um dos maiores desafios, colocado às entidades responsáveis pela sua
exploração. O envelhecimento das estruturas existentes e as novas exigências funcionais
e de segurança obrigam ao desenvolvimento de estratégias de intervenção em obra para
que, com uma gestão adequada dos recursos, seja assegurado ou aumentado o período
de exploração com qualidade e eficiência económica (MEASURES, 2001 e SANTOS,
2007).
Para que uma estrutura permaneça em serviço em aceitáveis condições de segurança
devem ser contabilizados os custos decorrentes das intervenções em obra, em particular
de manutenção e de reparação. Devem ainda ser tidos em conta os custos que uma
eventual ruína da estrutura acarretaria (PETCHERDCHOO et al., 2008). Os sistemas de
monitorização do comportamento estrutural assumem neste domínio um papel da maior
importância, ao fornecerem informação aos modelos de decisão que permitem
calendarizar e tipificar intervenções em obra, tendo em atenção as condições de
segurança e de durabilidade da estrutura e a gestão otimizada dos recursos (MUFTI,
2001 e CITYU et al., 2004). Conforme se representa esquematicamente na Figura 1, o
envelhecimento das estruturas traduz-se numa redução progressiva das características
do comportamento estrutural. As intervenções de rotina para preservar o comportamento
expectável podem ter um carácter preventivo (conservação preventiva), ou serem
essenciais para manter a estrutura dentro dos limites aceitáveis de segurança
(conservação essencial).
Ideal
Comportamento estrutural
Conservação necessária
Conservação essencial
Limite de segurança
Período de vida útil [anos]
Figura 1 - Reposição dos níveis de segurança estrutural (SANTA e BERGMEISTER, 2000).
Na monitorização do comportamento das estruturas, a medição das grandezas relevantes
é realizada em permanência com recurso a sistemas que fazem parte integrante da
estrutura. Na sua essência, estes sistemas são constituídos por sensores, unidades de
aquisição, sistemas de comunicação e software de armazenamento e de processamento
de informação, com elevado grau de automação, versatilidade e flexibilidade
(BERGMEISTER e SANTA, 2001). A integração destes diversos componentes num
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mesmo sistema viabiliza o acompanhamento permanente da estrutura, medindo,
interpretando, sentindo a estrutura.
É com base num sistema assim constituído que surge o conceito de monitorização da
integridade estrutural, referido na bibliografia internacional sob a designação de Structural
Health Monitoring (SHM). Nestes sistemas, promove-se a automatização do
acompanhamento das principais grandezas que caraterizam o comportamento da
estrutura, e das ações a que esta está sujeita, e a disponibilização desta informação, em
tempo real, às entidades técnicas responsáveis pela sua gestão. Acresce ainda a
particularidade de gerarem sinais de alerta, sempre que são detetadas falhas no sistema
ou sempre que determinados parâmetros pré definidos são excedidos.
Assim como na medicina preventiva (ver Figura 2), em consultas de rotina, o médico
procura um conjunto de sintomas que o paciente pode exibir, conduz exames, faz um
diagnóstico e, caso necessário, prescreve um tratamento, também na engenharia SHM se
procura medir e analisar aspetos representativos da integridade estrutural, dirigidos para a
deteção de danos ou de anomalias do sistema estrutural, tendo em vista a sua
conservação proativa, se possível.
Medicina preventiva
Sintomas
Exames
Diagnóstico
Tratamento
Engenharia SHM
Anomalia
Deteção
Inspeção /
Diagnóstico
Reparação
Figura 2 – Paralelismo entre a medicina preventiva e a engenharia SHM (RODRIGUES, 2011).
2
Componentes do sistema
Os elementos que constituem os sistemas de monitorização podem ser agrupados nos
seguintes subsistemas: i) Rede de sensores; ii) Unidades de aquisição de dados; iii)
Unidade de comunicação e iv) Controlo, visualização e pós-processamento.
A Figura 3 ilustra a integração dos diferentes subsistemas num sistema de monitorização,
com a rede de sensores e o sistema de aquisição instalados em obra e todo o sistema de
pós processamento de dados localizado em gabinete (central de controlo). Um módulo de
comunicação remota estabelece a ligação da obra à central de controlo.
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CENTRAL DE
CONTROLO
OBRA
REDE DE
SENSORES
COMUNICAÇÃO
CONTROLO,
VISUALIZAÇÃO E
PÓS-PROCESSAMENTO
UNIDADE CENTRAL DE
PROCESSAMENTO
CONTROLO DA
AQUISIÇÃO
TRATAMENTO DE
DADOS
PROTOCOLOS DE
COMUNICAÇÃO
CONDICIONAMENTO
CONVERSOR A/D
SENSORES
UNIDADE DE AQUISIÇÃO
SISTEMA DE
TRANSMISÃO
REMOTA
CONTROLO DA AQUISIÇÃO E
TRATAMENTO DE DADOS
AVALIAÇÃO E DETECÇÃO DE
DANOS
REDE DE
COMUNICAÇÃO
LOCAL
GERAÇÃO DE ALARMES
Figura 3 – Esquema geral de um sistema de monitorização estrutural.
Os circuitos de condicionamento e de conversão de sinal podem estar localizados juntos
dos sensores, ou concentrados na unidade de aquisição. Na unidade central de
processamento é realizado o controlo local da aquisição e o tratamento prévio das
leituras, segundo procedimentos automáticos estabelecidos por programação. Diferentes
protocolos permitem o acesso local ou remoto ao sistema de controlo e às leituras
efetuadas, como por exemplo, através de uma página Web. O pós-processamento dos
dados é constituído por um software de visualização, validação e interpretação das
medições efetuadas, que é complementado por modelos numéricos de comportamento
estrutural e por modelos de gestão e de decisão (SOUSA et al., 2011).
O desenvolvimento de sistemas de vigilância, com o estabelecimento de valores limites
para cada uma das grandezas monitorizadas, constitui um avanço na direção do
desenvolvimento de estruturas inteligentes. Concretiza-se assim uma alteração de
paradigma: a avaliação da durabilidade e da integridade estrutural deixa assim de ser
reativa, despoletada apenas na sequência de campanhas de inspeção conduzidas com
uma periodicidade pré-definida ou quando é detetada alguma avaria, mas passa a ser
realizada em permanência, com recurso a sistemas que fazem parte integrante da própria
estrutura.
3
Sensores de base elétrica
Os sensores de base elétrica são os mais difundidos nas aplicações de engenharia civil.
Apresentam como principais vantagens a experiência na sua utilização, a robustez nas
soluções de encapsulamento, a disponibilidade de transdutores que cobrem a
generalidade das grandezas que usualmente se pretende medir, com as adequadas
gamas de medição e níveis de precisão, a uniformização de requisitos, quer a nível da
alimentação (tipicamente em corrente contínua 12VDC a 36VDC) quer a nível do sinal de
saída (em corrente ou em tensão) e ainda a compatibilidade com diversas soluções de
conversão ou de condicionamento de sinal e com diversos equipamentos de aquisição.
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A implementação de um sistema de monitorização baseado em sensores elétricos tem
assim facilitadas as tarefas de integração numa mesma unidade de aquisição da
totalidade de sensores com conhecido grau de robustez e de confiança.
Apresentam como principais limitações a sua sensibilidade às interferências
eletromagnéticas e as perdas de sinal em linha, condicionante quando as distâncias entre
sensores e unidade de aquisição são elevadas.
São exemplos destes sensores, entre outros, os sensores de temperatura do tipo PT100,
os transdutores de deslocamento do tipo LVDT, os extensómetros, quer de resistência
quer de corda vibrante, e os sensores de corrosão.
4
Sensores em fibra ótica
A tecnologia dos sensores em fibra ótica foi inicialmente desenvolvida no seio da indústria
da aviação mas tem vindo a ser aplicada com sucesso ao domínio da engenharia civil.
Esta tecnologia apresenta inúmeras vantagens de que se salienta a imunidade aos
campos eletromagnéticos e a reduzida perda de sinal (RODRIGUES, 2011).
Os sensores em fibra ótica podem ser classificados em diversos grupos ou categorias
(GUO et al., 2011). Uma das distinções mais significativas é entre sensores intrínsecos e
extrínsecos. Num sensor intrínseco, como é o caso dos sensores de Bragg, o mecanismo
sensor está integrado na própria fibra. Nos sensores extrínsecos, de que são exemplo os
sensores de Fabry-Perot, o mecanismo sensor é exterior à fibra, que é utilizada apenas
para condução da luz até ao elemento sensor, e deste para o sistema de deteção do sinal
óptico.
4.1
Sensores de Bragg em fibra ótica
Os sensores de Bragg em fibra ótica são baseados na modulação do comprimento de
onda. Assentam na possibilidade de fotoinduzir numa pequena extensão do núcleo da
fibra ótica, em geral aproximadamente 1cm, uma modulação periódica permanente do
índice de refração. Obtém-se por este processo uma sucessão de espelhos de reflexão
parcial, que através de um fenómeno designado por difração reflete apenas os feixes
luminosos com comprimento de onda proporcional ao espaçamento entre espelhos. A
Figura 4 ilustra esquematicamente o princípio de funcionamento destes sensores. A
variação do comprimento de onda ressonante de um sensor de Bragg pode resultar de
alterações induzidas no período espacial de modulação da rede Λ ou de perturbações do
índice efetivo de refração n0. Qualquer destas alterações está relacionada com variações
da deformação ou com variações de temperatura a que o sensor está sujeito
(RODRIGUES, 2011). Nestas condições, é possível o estabelecimento de uma relação
entre o comprimento de luz refletido (λ0) e a temperatura ou a deformação imposta à fibra.
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fonte de espectro largo
espectro em transmissão
0
período

nbainha
nnúcleo
rede de Bragg
0
espectro em reflexão
Figura 4 – Princípio de funcionamento dos sensores de Bragg.
Estes sensores apresentam como principal desvantagem a elevada sensibilidade à
temperatura, sendo por isso conveniente proceder-se à medição simultânea da extensão
e da temperatura. Como principal vantagem realça-se o facto de o comprimento de onda
ser uma característica absoluta da luz não sendo por isso o sinal destes sensores
afetados por eventuais perdas verificadas ao longo da fibra ou em ligações.
Desenvolvimentos recentes têm permitido a utilização destes sensores na conceção de
transdutores para a medição de diversas grandezas, como seja a temperatura, as
extensões, os deslocamentos e as flechas (RODRIGUES et al, 2011).
5
Sensores sem fios
Os sensores sem fios podem vir a constituir uma alternativa à instrumentação
convencional, principalmente em obras de grandes dimensões e com elevado número de
secções instrumentadas. A cada sensor, ou conjunto de sensores, está associado uma
estação local que, alimentada por baterias, procede à interrogação dos sensores, à
conversão e armazenamento local do sinal e à sua transmissão em frequência para uma
estação central. Estes dispositivos podem ainda ser dotados de um recetor que permite o
controlo remoto do processo de medição. Apresentam como principais vantagens a
facilidade de instalação, de reparação ou de substituição. Contudo, a sua adoção nem
sempre é possível atendendo a que elementos estruturais maciços de grandes dimensões
podem constituir um sério obstáculo à transmissão do sinal.
A frequência de transmissão e a potência do sinal destes sistemas, limitadas em termos
legais, condicionam a distância entre transmissor e recetor. Nos sistemas atualmente
disponíveis na Europa é já possível atingir distâncias até 5km. Para distâncias superiores
têm de ser utilizados repetidores de sinal. Desenvolvimentos desta tecnologia (PICOZZI et
al., 2010) têm permitido a construção de sistemas de baixo consumo, com baterias de
maior duração, protocolos de comunicação mais robustos e a custos cada vez mais
reduzidos.
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6
Medição de flechas em Pontes e Viadutos
A medição de flechas em Pontes e Viadutos tem sido efetuada sobretudo durante a
condução de ensaios de carga (FERNANDES et al., 1996 e DIMANDE, 2010). Com o
desenvolvimento das técnicas de medição, a tendência será a de inclusão de mais esta
grandeza nos sistemas de monitorização afetos às estruturas.
Sempre que seja possível o estabelecimento de referência ao solo, e sobretudo em
ensaios de carga, é corrente a utilização de transdutores de deslocamento, instalados no
topo de prumos metálicos ou na base de massas suspensas do tabuleiro, como se ilustra
na Figura 5, e devidamente guiadas em tripés instalados junto ao solo. Em ambos os
casos, será conveniente ter em atenção a variação de comprimento dos elementos
metálicos (de suporte ou de suspensão) devido à variação da temperatura. Este processo
de medição permite uma elevada precisão, desde que se selecionem os LVDTs com
gama de medição ajustada aos deslocamentos previstos.
Figura 5 – Medição de flechas com LVDTs em ensaios de carga, nos Viadutos de Acesso à Ponte da
Lezíria, Portugal.
Quando não é possível estabelecer com segurança uma referência ao solo, pode optar-se
pela instalação de um sistema de nivelamento hidrostático (DIMANDE, 2010 e
RODRIGUES, 2011). A automatização deste sistema é conseguida com recurso a
sensores de pressão, de base elétrica ou de base ótica, colocados em linha no circuito,
nos pontos onde se pretende obter os deslocamentos verticais. Trata-se de um processo
de medição de flechas cuja robustez e fiabilidade depende muito das técnicas de
instalação do circuito hidráulico e das condições ambientais (sobretudo da temperatura e
do vento), a sensibilidade depende sobretudo da sensibilidade dos sensores de pressão e
o tempo de resposta depende sobretudo das perdas de carga do circuito hidráulico. É
frequente serem conseguidas precisões da ordem do milímetro, para gamas de medição
de 200mm.
7
Monitorização da corrosão
A monitorização da durabilidade visa fundamentalmente, a avaliação da degradação das
propriedades do betão de recobrimento e o controlo da corrosão das armaduras,
permitindo uma correta e atempada tomada de decisão no caso de possíveis intervenções
de reabilitação (FIGUEIRAS et al. 2008). Na monitorização da durabilidade podem ser
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observadas, entre outras, as seguintes grandezas: potencial de corrosão; resistividade do
betão; velocidade de corrosão instantânea; velocidade de corrosão “natural”.
Quando o sistema é instalado durante a fase de execução da obra, utilizam-se sensores
de embeber no betão instalados na camada de recobrimento e ligados à armadura. A
Figura 6 ilustra um destes dispositivos, designado por kit-sensor de corrosão, que integra
um sensor de corrente galvânica, um sensor elétrodo de referência e um sensor de
temperatura. A instalação destes sensores na estrutura permite monitorizar a entrada dos
agentes agressivos no betão de recobrimento, prever o período de iniciação da corrosão
e, após a despassivação das armaduras, avaliar a velocidade com que estas se corroem.
A interrogação, aquisição e transferência do sinal do kit-sensor de corrosão é realizada de
forma contínua e automática, através de dataloggers específicos.
a) Kit-sensor de corrosão instalado antes da betonagem
b) Sensor de corrente galvânica
Figura 6 – Sensor para medição dos parâmetros de durabilidade.
8
Monitorização da infraescavação
A monitorização da infraescavação tem como objetivo avaliar e acompanhar a evolução
da cota do leito do rio junto dos pilares de pontes em resultado da ação erosiva da
corrente da água (SOUSA et al., 2011). O sistema que tem sido adotado pela equipa
LABEST/NewMENSUS para avaliar e acompanhar a evolução da infraescavação assenta
num sensor conhecido pelo nome de sonar. O princípio de funcionamento do sonar
repousa na emissão de uma onda acústica, que é emitida e se propaga na água do rio, é
refletida quando atinge o seu leito e transmitida de volta para o sonar. Conhecendo-se o
intervalo de tempo entre o instante em que a onda sonora é emitida e o instante que é
recebida, e a velocidade de propagação da onda sonora no meio, determina-se a
distância percorrida pela onda sonora nesse meio (distância do sonar ao leito do rio).
A Figura 7 refere-se ao sistema de vigilância e alerta à infraescavação instalado na nova
Ponte sobre o Rio Douro na A41. Neste sistema, os sonares estão instalados à cota
+11.0m, nos maciços de encabeçamento das estacas dos pilares que têm fundação
indireta no leito do rio (pilares P3 e P4). Quando os valores medidos ultrapassarem os
valores limites estabelecidos pelo projetista (cotas de vigilância e de alerta), será ativado
um sistema de alarme que consiste essencialmente no envio de mensagens via e-mail ou
SMS para uma lista de contactos. As cotas registadas pelo sistema não ultrapassaram até
à data os -3.00m.
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(P3 / P4)
+15.20
+11.00
Sonar
-3.00
Referência
-8.00
Vigilância
-13.00
Alerta
Figura 7 – Resultados da medição de sonares instalados na Ponte sobre o Rio Douro (A41).
9
Monitorização de deslocamentos com GNSS
A aplicação de sistemas de monitorização estrutural baseados em sistemas globais de
navegação por satélite (GNSS) tem experimentado mais recentemente significativos
desenvolvimentos (KOGAN et al., 2008, FILENO et al., 2009 e CUNHA et al., 2010),
sobretudo devido às novas soluções tecnológicas dos recetores, mais avançadas mas
também mais económicas, e ao desenvolvimento de modelos de processamento de sinal
(KNECHT e MANETTI, 2010). Por outro lado, a programada colocação em órbita de mais
satélites, e a disponibilização de mais informação a partir daqueles que mais
recentemente têm entrado ao serviço, torna previsível uma utilização mais robusta, mais
fiável e mais alargada destes sistemas.
Os GNSS são sistemas de rádio-posicionamento de base espacial que fornecem aos
utilizadores um serviço global de posicionamento e navegação. A obtenção das soluções
de posição e de tempo são conseguidas através do processamento, por recetores
eletrónicos especialmente concebidos, dos sinais emitidos pelos satélites. Atualmente
estão a operar dois sistemas, um norte-americano (o GPS – Global Positioning System,
que se encontra a operar em condições de pleno funcionamento) e o outro russo (o
GLONASS – Global Navigation Satellite System, a operar já com 21 dos 24 satélites
inicialmente previstos). Estão em diferentes fases de desenvolvimento outros sistemas
GNSS, nomeadamente o GALILEO (sistema europeu, ainda sem qualquer satélite
operacional no espaço) e o COMPASS-BEIDOU (sistema chinês, que muito recentemente
colocou no espaço, de uma só vez, mais dois satélites, totalizando neste momento 13
satélites em órbita).
Em ensaios conduzidos em ambiente controlado, onde se estabeleceu a comparação
entre os deslocamentos medidos com um LVDT e com um par de recetores GNSS,
obtiveram-se desvios inferiores a ±4mm. A aplicação do sistema de monitorização com
base no GNSS está especialmente vocacionado à medição de deslocamentos de pontos
em campo aberto, como é o caso de barragens, de tabuleiros de pontes ou do topo de
mastros de pontes atirantadas, em que a precisão submilimétrica não seja um requisito.
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Controlo, visualização e pós-processamento
Um aspeto essencial a ter em conta na conceção de um sistema de monitorização é o
interface com o utilizador. Ele deve ser tão automático quanto possível, de utilização
intuitiva, de acesso rápido e ser robusto. A solução que tem vindo a ser desenvolvida é a
de um portal, com acesso através de uma página Web (ver Figura 8) que, com adequado
grau de interatividade, permite a visualização gráfica das grandezas desejadas, em
períodos de observação selecionados. Esta aplicação permite ainda a criação de ficheiros
de resultados em formato pdf e em formato tipo CSV, estes últimos para eventual
tratamento posterior.
Figura 8 – Página web desenvolvida para acesso aos dados da Ponte da Lezíria sobre o Rio Tejo na A10.
A suportar esta página web está uma base de dados que contém de forma organizada
toda a informação relativa à obra. O carregamento da base de dados tem merecido
especial atenção, porquanto se considerarem essenciais as ferramentas de preprocessamento. De entre estas salienta-se a validação dos sinais óticos e elétricos
recolhidos nas unidades de aquisição, as operações de conversão de sinais (elétricos ou
óticos) em grandezas físicas, a aplicação de filtros e a verificação dos limites de vigilância
e de alerta.
Este sistema pode ser complementado por um conjunto de rotinas de pós-processamento,
desenvolvidas à medida para cada obra, que suportam a interpretação das medições
efetuadas.
11
Exploração de resultados: casos de obra
A monitorização da integridade estrutural é um conceito que se justifica em obras de
maior dimensão, de maior complexidade, ou de maior importância, porquanto constitui um
processo que contribui para a garantia da durabilidade e da segurança estrutural. Pode
estar presente durante as diversas fases da vida das obras, nomeadamente durante a
construção, a receção e a fase de exploração em condições de serviço, e em diversos
tipos de obras, nomeadamente na construção de novas estruturas e na reabilitação e no
reforço de estruturas existentes. A aplicação de sistemas de monitorização a cada uma
destas situações encerra particularidades que importa realçar. Os casos de obra a seguir
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referidos são uma seleção de trabalhos em que as equipas da FEUP/LABEST e da
NewMENSUS estiveram envolvidas.
Controlo do faseamento construtivo
O controlo do faseamento construtivo é uma prática usual nas obras de engenharia. Nas
pontes e viadutos correntes, além do controlo da qualidade dos materiais utilizados e da
dimensão e do posicionamento das peças, é frequente proceder-se à medição de outras
grandezas, como por exemplo as flechas nos vãos, através da topografia, em tabuleiros
construídos com recurso a avanços sucessivos ou aquando da descofragem. Estas
medições são de grande valor, pois dão uma perceção global do comportamento da
estrutura. No entanto, sendo efetuadas apenas em determinados instantes, não permitem
observar a evolução do comportamento estrutural. Por outro lado, a precisão destes
sistemas de medição é em geral reduzida. Nos sistemas estruturais mais complexos, ou
quando se recorre a faseamentos construtivos mais sensíveis, a monitorização de
grandezas a partir das quais seja possível efetuar com precisão o controlo do processo
construtivo é da maior importância. A utilização de sistemas de monitorização que incluam
um software de processamento e de visualização de dados constitui neste contexto um
aspeto essencial para o acompanhamento e avaliação permanente das tarefas
executadas em obra.
Por outro lado, a aplicação de um sistema de monitorização pode interferir com o
desenvolvimento do projeto, na medida em que hipóteses de cálculo poderão vir a ser
confirmadas in situ com as medições efetuadas durante a execução da obra. A análise
dos resultados do sistema de monitorização pode conduzir a que sejam propostos ajustes
ao projeto inicial. Esta facilidade traduz-se sem dúvida numa maior confiança no sistema
estrutural adotado, permitindo o projeto de soluções mais arrojadas (ver Figura 9), o
desenvolvimento de processos e técnicas construtivas inovadoras e a adoção de novos
materiais.
Figura 9 – Ponte pedonal e de ciclovia Pedro e Inês, em Coimbra.
Avaliação da conformidade das estruturas executadas
A avaliação da efetiva conformidade da estrutura executada é conseguida, no final da
construção, através da caracterização experimental do seu comportamento estático e
dinâmico, procurando-se estabelecer a comparação entre as grandezas observadas e as
obtidas a partir de modelos numéricos. Para a caracterização do comportamento estático
são conduzidas provas de carga, onde as ações usualmente consideradas são
sobrecargas e ações ambientais. No caso das obras de arte as sobrecargas são, sempre
que possível, materializadas por veículos, devidamente pesados, cujo número e
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posicionamento conduzem aos efeitos mais desfavoráveis nas secções para o efeito
consideradas críticas. A ação ambiental considerada é em geral, a temperatura.
Nos ensaios de caraterização do comportamento dinâmico, a obtenção das frequências
próprias e dos modos de vibração é em geral conseguida em ensaios de vibração
ambiental, tendo como excitação da estrutura a ação do vento.
Nesta fase da obra, atendendo a que decorre apenas durante um período limitado de
tempo, poderão ser utilizados sistemas de medição dotados de maior sensibilidade, não
sendo, neste caso, a robustez e a durabilidade um requisito essencial.
A Figura 10 ilustra o Viaduto do Canedo, na A32, durante a condução do ensaio de carga,
realizado no final da obra. Os resultados deste ensaio, confrontados com os obtidos a
partir de um modelo numérico, permitiram concluir acerca da conformidade da estrutura
executada.
Figura 10 – Viaduto do Canedo, na A32, durante a condução de um ensaio de carga.
Utilização em condições de serviço
Do ponto de vista da observação da estrutura, a fase de exploração pode dividir-se em
duas etapas. Na primeira delas, logo após a construção, e durante os primeiros anos,
pretende-se essencialmente observar o efeito das deformações resultantes do
comportamento reológico dos materiais, e a resposta da estrutura face às ações aplicadas
em condições de serviço. Durante este período, deverá haver uma avaliação do sistema
de monitorização instalado e proceder-se aos ajustes considerados necessários, tendo
em vista a sua utilização em condições de serviço.
Deve ser dedicada uma especial atenção à recolha e análise de dados durante este
período, porquanto uma boa caracterização da resposta estrutural, baseada no seu
comportamento durante a construção e ao longo dos primeiros anos de vida, constitui um
excelente contributo para estimar com confiança a sua durabilidade.
Na segunda fase de utilização da obra, as atenções são mais direcionadas para as
questões relacionadas com a durabilidade dos materiais e para a evolução da resposta
estrutural. Durante este período, a par das campanhas de inspeção visual da estrutura,
devem ser conduzidas as campanhas de inspeção e de manutenção do próprio sistema
de monitorização, de modo a que este continue a registar e transmitir em permanência as
grandezas consideradas relevantes.
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A Figura 11 ilustra a Ponte Armando Emílio Guebuza sobre o Rio Zambeze, em
Moçambique, na qual foi instalado um sistema de monitorização destinado a acompanhar
o seu comportamento em condições de serviço.
Figura 11 – Monitorização da Ponte Armando Emílio Guebuza sobre o Rio Zambeze, Moçambique.
Reabilitação e reforço
A reabilitação e o reforço são fases de intervenção na estrutura que se destinam
essencialmente a prolongar a fase de exploração, adaptar a estrutura a novas condições
de utilização e a restituir ou melhorar os requisitos de segurança e de durabilidade.
A implementação de um sistema de monitorização após uma intervenção de reabilitação e
de reforço estrutural permite observar a eficiência das soluções adotadas.
A Figura 12 ilustra dois exemplos de obras de reabilitação e reforço em que se recorreu
aos resultados do sistema de monitorização para avaliar a eficiência das intervenções e
acompanhar o seu comportamento nas novas condições.
a) Ponte de Lanheses sobre o Rio Lima, na EN305
b) Ponte Eiffel em Viana do Castelo, na EN13
Figura 12 – Monitorização de Pontes durante e após a reabilitação e reforço estrutural.
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Considerações finais
As estruturas de engenharia civil são um património de elevado valor cuja manutenção
em funcionamento, em condições de segurança e de economia, é da maior importância
assegurar. Os sistemas de monitorização contribuem para o conhecimento do
comportamento das estruturas e do seu estado de conservação e, por essa via, para uma
gestão adequada dos recursos, tendo em vista a sua conservação.
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Os sistemas de monitorização estrutural têm experimentado recentemente apreciáveis
desenvolvimentos, resultado sobretudo da convicção crescente, por parte das várias
entidades intervenientes, da utilidade de tais sistemas no controlo da construção e do
reforço, na verificação da conformidade das estruturas executadas e no apoio à gestão
em atividades de manutenção e de conservação. Estes desenvolvimentos, conduzidos
por unidades de investigação e por empresas, decorrem, em grande parte, da adaptação
à engenharia civil das mais recentes tecnologias disponíveis em outras áreas da
engenharia, de que são exemplo os sensores em fibra ótica e as soluções de
comunicação.
A aplicação de novos processos de medição e de novas tecnologias à monitorização das
estruturas, primeiro em laboratório e depois em obra, tem contribuído para que estes
sistemas sejam cada vez mais robustos e dotados de mais potencialidades, e por isso
mais apelativos.
Atualmente os sistemas de monitorização são constituídos por rede de sensores,
unidades automáticas de aquisição, sistemas de comunicação e de transmissão de dados
e software de armazenamento e de análise de resultados. O desenvolvimento de
sistemas de vigilância, com o estabelecimento de valores limites para cada uma das
grandezas monitorizadas, constitui um avanço na direção do desenvolvimento de
estruturas inteligentes.
Esta é uma área da engenharia civil que tem experimentado um assinalável
desenvolvimento, na busca de respostas às questões de dificuldade crescente colocadas
pelas entidades gestoras das obras, e com uma dinâmica ditada pela aplicação de novas
tecnologias aos sistemas de monitorização estrutural. São exemplo destas tecnologias as
já descritas aquando da referência aos sensores em fibra ótica, aos GNSS e às
tecnologias associadas à comunicação e transmissão de sinal. O desafio maior será
contudo transversal a todas elas e está relacionado com o aumento da robustez e da
fiabilidade de tais sistemas, não só do ponto de vista dos equipamentos, mas também dos
modelos de análise e de interpretação dos resultados. Esta será porventura a área que
experimentará num futuro próximo a maior evolução.
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Agradecimentos
Os autores agradecem à ADI – Agência de Inovação, ao QREN – Quadro de Referência
Estratégico Nacional e ao FEDER – Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional e
financiamento do Projeto de I&D nº 013675 – NaÓpticaDaNewMENSUS, no âmbito do
qual se realizaram muitos dos desenvolvimentos referidos na presente comunicação.
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