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MONITORIZAÇÃO ESTRUTURAL COM BASE EM FIBRA ÓPTICA:
O EXEMPLO DA PONTE DA LEZÍRIA
Carlos Rodrigues1, Carlos Félix
2, Armindo Lage
3, Joaquim Figueiras
4
1 Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia – LABEST,
Porto, Portugal. [email protected]
2 Instituto Superior de Engenharia do Porto / LABEST, Porto,
Portugal. [email protected]
3 Universidade do Porto, DEEC, Porto, Portugal.
[email protected]
4 Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia – LABEST,
Porto, Portugal. [email protected]
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].
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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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
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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.
2.2. 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
ΔTζααPΔεPλ
Δλfsee
b
b (1)
onde eP e ζ são os coeficientes foto-elástico e termo-óptico da
fibra, respectivamente, e sα e
fα são os coeficientes de dilatação térmica do material da
estrutura de suporte e da própria
fibra, respectivamente.
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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.
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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 2007. 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 95 + 6 x 130 + 95 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.
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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.
Grandeza Localização Quantidade
Extensão Banzo inferior e banzo superior das secções de
todos
os meios-vão e secções junto aos apoios de
continuidade
30
Flechas Meio-vão e secção de referência: PTN3, P2 e P7 11
Temperatura Secções representativas 10
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].
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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.
3.4. 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.
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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].
Figura 11 - Transdutor para medição de
flechas com base em níveis líquidos
munido com sensores de Bragg
[Figueiras et al, 2009].
3.5. Arquitectura da rede de sensores
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 sm130-500), 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.
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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.
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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.
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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.
Grandeza Frequência Aquisição
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.
4.1. 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.
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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.
Figura 16 - Evolução da flecha na secção de meio-vão entre os
pilares P6 e P7.
Efeitos sazonais
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.
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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.
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.
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.
a) b) c)
a) b) c)
-
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-mail 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.
4.2. 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.
-
-20 0 20
0
5
10
15
20
Extensão (x10-6 m/m)
N. ocorr
ência
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.
Inf.
Sup.
Sup.
Inf.
-
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 pré-
esforço. 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.
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