aula 05.4 monitorizacao

Workshop 1: Conservação do Património Português em Betão

A Monitorização das Estruturas na

Conservação do Património em Betão

Ponte de Santa Clara, sobre o Rio Mondego, 1954

Conservação do Património em Betão

Carlos Félix

STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE

CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE

Tópicos

I - Introdução

II - Sistemas de monitorização

Componentes

Fases de desenvolvimento

III - Casos de obra:

Avaliação da segurança estrutural

Apoio ao controlo da execução

Monitorização da durabilidadeFases de desenvolvimento Monitorização da durabilidade

Monitorização estrutural

IV - Considerações finais

Ponte Armando Emílio Guebuza, sobre o Rio Zambeze, 2009



Caracterização do Património construído em Portugal

Idade (estruturas que datam desde o início do século XX)

Volume de construção tem aumentado nas últimas décadas

O investimento representa uma parte significativa do PIB

I - Introdução

Ponte Luiz Bandeira, sobre o Rio Vouga, 1907



Importância do Património construído em Portugal

É um registo histórico da evolução da técnica

Sustenta o desenvolvimento económico

Contribui para o bem-estar da sociedade

I - Introdução

Ponte sobre a Foz do Rio Souza



É fundamental a Conservação do Património

Porque tem valor histórico

Porque tem impacto na economia dos Países

Porque tem impacto na vida da sociedade

I - Introdução

Ponte da Arrábida, sobre o Rio Douro, 1963



Conservação do Património

Prolongar a vida útil das estruturas em condições de segurança

Adequar as estruturas existentes às novas exigências regulamentares e funcionais

I - Introdução

Ponte Hintze Ribeiro, Entre-os-Rios, Março de 2001 Palácio de Cristal, 2010



Conservação do Património

Prolongar a vida útil das estruturas em condições de segurança

Adequar as estruturas existentes às novas exigências regulamentares e funcionais

I - Introdução

Palácio de Cristal, Porto, 1953 Palácio de Cristal, Porto, 2010



I - IntroduçãoA Monitorização das Estruturas contribui para a Conservação do Património

Apoia o controlo da execução

Avaliação da conformidade das estruturas executadas

Contribui para o conhecimento do funcionamento das estruturas

Avaliação das condições de integridade estrutural

Registo de flechas na Ponte Ferroviária de

São João, Porto, 1991

Acompanhamento do ciclo de vida das estruturas

Avaliação da durabilidade



Analogia – Corpo humano / Estrutura

SHM – Structural Health Monitoring– Monitorização da Integridade Estrutural

II – Sistemas de Monitorização: Introdução

Monitorização estruturalprolongará a vida das obras de arte

Médico/Paciente Engenheiro SHM/Estrutura

Cuidados preventivos de saúdeaumento da esperança de vida



II – Sistemas de Monitorização: Introdução

Método não destrutivo de avaliação de estruturas in situ

Idealmente o sistema devia• Fornecer informação a pedido sobre a saúde da estrutura• Alertar sempre que qualquer dano fosse detectado

Desempenho, Integridade, Resistência, Segurança, Durabilidade

Sistema óptico de

medição de flechas,

Ponte 25 de Abril, 1969



II – Sistemas de Monitorização: Componentes do sistema

GPRS

Sistema de aquisição (no local)

Sensores (vários tipos)

• Sensores,

unidades de

aquisição

• Sistema de

Router INTERNET

Armazenamento de dados (disco rígido ou arquivos)

Processamento de dados

Diagnóstico

Acesso à informação e tomada de decisão

comunicação

• Software de

processamento e

de armazenamento

de dados

• Sistema de gestão

de dados e de

apoio à decisão



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimento

i. Análise estrutural

ii. Concepção e especificação do sistemaii. Concepção e especificação do sistema

iii. Desenvolvimento de soluções

iv. Implementação em obra

v. Disponibilização e análise de resultados



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoi. Análise estrutural

ENC.OESTE P2P1

P4 P5

P3

CORUJEIRAFLORESPRAÇA DA

ESTE

PRAÇA DAS

ENC.



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoii. Concepção e especificação do sistema



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoiii. Desenvolvimento de soluções de monitorização

• Desenvolvimento de novos sistemas de medição

• Caracterização do sistema de

Transdutor de deformação em varão de aço inox

Transdutor de flechas

• Caracterização do sistema de medição (especificações técnicas)

• Testes e calibrações laboratoriais




Novo transdutor de deformação para embeber no betão

• Varão de aço inox liso na parte central com estrias em hélice de profundidade crescente • Varão de aço inox liso na parte central com estrias em hélice de profundidade crescente até à extremidade

• Aderência variável pode acomodar fendas até 2.5mm s em plastificação do varão




Novo transdutor de deformação para embeber no betão

• Comportamento idêntico em toda a instrumentação (in terna + externa)

• Desvio observado inferior a 2 %




Foi lançado o desafio de dotar a nova ponte sobre o Tejo – Ponte da Lezíria – de um sistema de monitorização permanente das flechas com base na tecnologia de fibra óptica.

iii. Desenvolvimento de soluções de monitorizaçãoNovo transdutor óptico de flechas

• Sistema de nivelamento hidrostático

• Princípio activo – sensores de Bragg em fibra óptica

• Sensibilidade da ordem dos 0.1mm

• Imune às variações térmicas

• Instalados 11 destes sensores na ponte principal

O resultado foi o desenvolvimento de um novo transdutor de flechas.




Ensaio deslocamento controlado

-20

-10

0

10

20

30

40

1

de

slo

ca

me

nto

ve

rtic

al (

mm

)

LVDT Transdutor FEUP

iii. Desenvolvimento de soluções de monitorizaçãoNovo transdutor óptico de flechas

Testes e calibrações laboratoriais

-40

-30

-20

tempo

de

slo

ca

me

nto

ve

rtic

al (

mm

)

Transdutor Deslocamento - Linearidadey = -0.007020x - 0.009723

R2 = 0.999966

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

LVDT [mm]

Tra

nsd

uto

r F

EU

P [

sin

al

op

tico

- n

m]

Experimental

Linear

(Experimental)



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoiv. Implementação em obra: instalação de sensores

• Posicionar correctamente os sensores

• Garantir a robustez da instalação

Posicionamento de transdutor de deformação antes da betonagem



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoiv. Implementação em obra: condução de cabos

Caixa de derivação no interior do

caixão da ponte

Acesso às ligações para manutenção

Condução de cabos no interior do caixão da ponte



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoiv. Implementação em obra: instalação e operacionalização

de equipamentos



II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentov. Disponibilização de resultados: consulta on-line/relatórios

Informação das secções instrumentadas

Visualização gráfica dos registos, relatórios



III – Casos de obra: Avaliação da segurança estrutural

Ensaio Estático • Vigas do Caminho de Rolamento – TC Leixões• Novos pórticos metálicos a instalar

Pórtico metálicoPórtico metálico

Analisando as condições de segurança da S1-VP3

MRd = 4300 kN.m menor queMEd = 5030 kN.m

Módulo da viga VP3Vigas do caminho

de rolamento

VP3

VP4Vigas do caminho

de rolamento

VP3

VP4

KO



III – Casos de obra: Avaliação da segurança estrutural

Teste de diagnóstico – Interacção benéfica entre componentes?

Deformação das fibras superior e inferior da secção S1, viga VP3 para a passagem do caso crítico de carga

Contentorde 40’

Contentorde 40’

Contentorde 40’

Contentorde 40’

A segurança às acções aplicadas está garantida – (efeito benéfico do solo)Monitorização essencial para a tomada de decisão com base em conhecimento

de engenharia

MEk = EI × χ = 32 × 0,39 × 157≅ 1950 kN.m

MEd = 1,5 MEk = 2930kNm<< MRd = 4300kNm

Curvatura máxima

Secção S1

d

x d

Superior

Inferior

Curvatura máxima

Secção S1

d

x d

Superior

Inferior

VP3 – Módulo 3VP3 – Módulo 3



III – Casos de obra: Travessia do Rio Tejo no Carregado

Ponte da Lezíria

Viaduto Norte

Viaduto Sul



III – Casos de obra: Ponte da Lezíria sobre o Rio Tejo� Travessia sobre o rio Tejo, inserida na

Auto-Estrada A10,

Bucelas/Carregado/IC3 a cerca de 40 km

de Lisboa

� 2ª Ponte mais extensa da Europa (9ª

do Mundo)

Ponte: 970 m � 95+6x130+95 m

Betão armado pré-esforçado Secção do tabuleiro em caixão Avanços sucessivos

� Extensão total de 12 km

� Viadutos de Acesso (9160m+1700m) +

Ponte sobre o Rio Tejo (970m)

� Inauguração em Julho de 2007



III – Casos de obra: Ponte da Lezíria sobre o Rio Tejo

Projecto TACE (2006/08) - Monitorização estrutural e de durabilidade – Ponte da Lezíria

• Um dos maiores projectos de monitorização

realizados em Portugal, número de grandezas

medidas (500), diversidade das grandezas (12)

Ponte da Lezíria (Maio 2007)

• Nova especialidade integrante do Projecto de

Execução da Ponte com volume dedicado –

Plano de monitorização estrutural e de

durabilidade

• Alvo da intervenção do Dono da Obra /

Projectistas / Consultores / Consórcio TACE /

Especialistas SHM – Documento de referência

na SHM



Rede de sensores e de unidades distribuídas de aqui sição


Rede de comunicação

Sistema de vigilância permanente: Geração de alerta s sempre que determinada grandeza ultrapassa um limit e pré-definido



III – Ponte da Lezíria: Monitorização estrutural

Sistema óptico

� Deformação nas fibras superior e inferior das secções junto aos apoios e a meio vão

30 PONTOS DE MEDIÇÃO DE DEFORMAÇÃO

51 TRANSDUTORES ↔↔↔↔ 92 SENSORES DE BRAGG

� Flechas a todos os meios vãos + referências sobre os pilares PTN, P2 e P7

11 PONTOS DE MEDIÇÃO DE FLECHAS

� Temperaturas significativas

10 PONTOS DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA



IV – Ponte da Lezíria: Monitorização estrutural

GrandezaFrequência Aquisição

Modo I Modo II

Deformação 1/15min até 500 Hz

Flechas + Temperatura 1/15min até 0.5 Hz

� Dois modos de funcionamento programados

� Modo I – Comportamento diferido da estrutura – Longa duração� Modo I – Comportamento diferido da estrutura – Longa duração

• Acções estáticas

• Efeitos reológicos: retracção e fluência do betão, relaxação das armaduras

• Evolução do comportamento ao longo do tempo

� Modo II – Comportamento em serviço da estrutura – Curta duração

• Acções dinâmicas

• Linhas de influência para passagem de veículos

• Passagem de veículos referenciados – evolução da resposta ao longo da vida útil



IV – Ponte da Lezíria: Monitorização estruturalFlecha a meio do vão central – amostra de 1 mês

Temperatura – amostra de 1 mês



IV – Ponte da Lezíria: Monitorização estruturalFlecha a meio do vão central – amostra de 1 semana

Temperatura – amostra de 1 semana



IV – Ponte da Lezíria: Monitorização estruturalLinhas de influência de extensões – passagem de veíc ulo a 85km/h

Scan rate: 100Hz



III – Ponte da Lezíria: Monitorização da durabilidade

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3

Sensor de corrente galvânica

Eléctrodo de referência

Sensor de temperatura

Monitoriza a entrada de agentes agressivos no betão

Permite a previsão do início da corrosão

Avalia o estado de corrosão da armadura



Cátodo Ânodos

Sensor de Eléctrodo de

SENSOR 3 SENSOR 2

Superfície de betão Cabos de ligação

SENSOR 1 A1

A2

A3


Armadura

� 5 medidas de corrente galvânica (µA/cm2) entre os ánodos e o cátodo

� 5 medidas de potencial de corrosão (mV vs MnO2) entre os ánodos e o eléct. de ref.

� 1 medida de temperatura (ºC)

Sensor de temperatura

Eléctrodo de referência A4



Intensidade de corrente galvânica

igal<2µA/cm2 – ânodo no estado passivo

i >10µA/cm2 – ânodo no estado activo

Den

sida

de d

e co

rren

te (

µA/c

m2 )

I1

I2

I3

I4


Probabilidade de corrosão (P CR) Potencial (mV vs CSE) Potencial (mV vs MnO2)

Probabilidade de corrosão baixa <10% >-200 mV >-290 mV

Probabilidade de corrosão intermédia -200 a -350 mV -290 a -440 mV

Probabilidade de corrosão alta >90% <-350 mV <-440 mV

Potencial de corrosão (ASTM C876- Valores indicativos )

igal>10µA/cm2 – ânodo no estado activo

(Valores indicativos)

Tempo

Den

sida

de d

e co

rren

te (

µA/c

m



CARREGADO BENAVENTE

KC-T-V2N-P11P12-2I KC-T-V2N-P11P12-5IKC-T-V2N-P11P12-1I

KC-T-V2N-P11P12-1S


variação de 10.0nA/cm2/ºC

(<2000nA/cm2)0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

27-Jun 1-Jul 5-Jul 9-Jul 13-Jul 17-Jul 21-Jul 25-Jul 29-Jul

Den

sida

de d

e co

rren

te (

nA/c

m 2 )

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

Temperatura (ºC

)

I1I2I3I4Temp

KC-T-V2N-P11P12-5IKC-T-V2N-P11P12-1I

Intensidade de corrente

galvânica

(velocidade do processo

de corrosão)



CARREGADO BENAVENTE

KC-T-V2N-P11P12-2I KC-T-V2N-P11P12-5IKC-T-V2N-P11P12-1I

KC-T-V2N-P11P12-1S


KC-T-V2N-P11P12-5IKC-T-V2N-P11P12-1I

Diferença de potencial

(potencial de corrosão)

-230,0

-220,0

-210,0

-200,0

-190,0

-180,0

-170,0

27-Jun 1-Jul 5-Jul 9-Jul 13-Jul 17-Jul 21-Jul 25-Jul 29-Jul

Pot

enci

al (

mV

vs

MnO

2)

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

Temperatura (ºC

)

P1P2P3P4Temp

variação de -1.6mV/ºC

(>-290mV)



IV – Considerações finais

� Foram descritos os sistemas de monitorização e realç ada a importância da sua

implementação na estruturas de betão

� Os sistemas de monitorização apoiam o controlo da ex ecução, avaliam a

segurança estrutural e acompanham todo o ciclo de v ida útil

� Os sistemas automáticos de aquisição e de processam ento de dados � Os sistemas automáticos de aquisição e de processam ento de dados

disponibiliza informação essencial acerca da seguran ça e da durabilidade das

estruturas, permitindo uma gestão eficiente dos rec ursos em operações de

manutenção e de reparação

� O desenvolvimento de sistemas de vigilância e de al erta, com o estabelecimento

de valores limites para cada uma das grandezas monit orizadas, constitui um

avanço na direcção do desenvolvimento de estruturas inteligentes (smart

structures)



Agradecimentos

LABEST – Laboratório da Tecnologia do Betão e do Comportamento Estrutural

Projectos de I&D financiados pela FCT e pela AdICom o apoio de NewMENSUS, Consórcio TACE e BRISA S.A.Com agradecimentos especiais a:

Joaquim FigueirasHelena FigueirasCarlos RodriguesHelder Sousa

Projecto QREN 13675 NaÓpticaDaNewMENSUS



Obrigado pela atenção

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