experiência no desenvolvimento e aplicação de sistemas de...

Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2016 FCTUC – 2 a 4 de novembro de 2016

Experiência no desenvolvimento e aplicação de sistemas de monitorização de estruturas

Joaquim

Figueiras 1 Carlos

Rodrigues 2 Helena

Figueiras 3 Carlos Félix 4

Resumo Os desafios colocados hoje aos projetistas, aos construtores e às entidades responsáveis pela exploração das obras de engenharia civil, e em particular das de maior dimensão, associados aos recentes desenvolvimentos tecnológicos, impõem uma nova abordagem aos sistemas de gestão de obras de arte, com recurso a sistemas de monitorização da integridade estrutural. Tais sistemas assentam hoje na instalação de sensores de base elétrica ou ótica, ligados a equipamentos automáticos de aquisição e de transmissão de sinal que, associados a sistemas de gestão de dados, são capazes de relatar em permanência à entidade responsável, informação relativa ao estado de conservação e da segurança da estrutura. Esta comunicação reporta a experiência adquirida ao longo dos últimos anos na implementação e exploração de sistemas de monitorização estrutural e da durabilidade. Apresenta-se um enquadramento geral do que se defende ser uma política de conservação proativa, assente no acompanhamento do desempenho da estrutura e na deteção precoce de anomalias ou danos. Os desenvolvimentos efetuados ao nível da instrumentação, procurando fazer uso das mais recentes tecnologias e conferindo-lhes aptidão para os requisitos da engenharia civil, são depois exemplificados revelando, em particular, os progressos ao nível dos sensores em fibra ótica e dos sensores de durabilidade. As aplicações ao Viaduto do Corgo e à Ponte de Foz Dão ilustram, depois, a implementação prática destes sistemas e as suas potencialidades no acompanhamento efetivo das respetivas obras.

Palavras-chave: Monitorização de estruturas; Controlo da condição estrutural; Conservação proativa; Novos sensores; Gestão de obras de arte. 1 CONSTRUCT-LABEST; Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia; NewMensus, Lda., Porto, Portugal;

e-mail: [email protected] 2 CONSTRUCT-LABEST; Instituto Politécnico do Porto, Instituto Superior de Engenharia, Porto, Portugal;

e-mail: [email protected] 3 CONSTRUCT-LABEST; NewMensus, Lda., Porto, Portugal; e-mail: [email protected] 4 CONSTRUCT-LABEST; Instituto Politécnico do Porto, Instituto Superior de Engenharia, Porto, Portugal;

e-mail: [email protected]

Figueiras, Rodrigues, Figueiras e Félix

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1. 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 dilatado o período de exploração com qualidade e eficiência económica. Para que uma estrutura permaneça em serviço em aceitáveis condições de segurança devem ser contabilizados, além dos custos de inspeção e monitorização, 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 [1]. Os sistemas de monitorização do comportamento estrutural assumem um papel da maior importância ao fornecerem informação aos agentes e aos modelos de decisão que permite calendarizar e tipificar intervenções em obra, tendo em atenção as condições de segurança e de durabilidade da estrutura e a gestão otimizada dos recursos. O envelhecimento das estruturas traduz-se numa redução progressiva do seu desempenho e comportamento. As intervenções de rotina para preservar o desempenho expectável podem ter um carácter preventivo (conservação preventiva), ou serem essenciais para manter a estrutura dentro dos limites aceitáveis de segurança (conservação essencial). No Código Modelo 2010 [2] define-se conservação como o conjunto de todas as atividades desenvolvidas tendo como objetivo a manutenção ou a reposição da estrutura num estado que satisfaça os requisitos de comportamento estabelecidos, distinguindo-se dois tipos de conservação (ver Fig. 1):

- Conservação proativa, essencial em estruturas especiais ou em estruturas cuja deterioração não deve ser aparente ou será tecnicamente inaceitável; - Conservação reativa, a desenvolver em estruturas em que será aceitável a intervenção apenas após a deterioração ser aparente, como será o caso dos edifícios e de outras estruturas correntes.

No primeiro caso, além das campanhas de inspeção periódicas planeadas, defende-se a monitorização sistemática dos parâmetros relevantes, enquanto no segundo, será, em princípio, suficiente a condução de campanhas de inspeção, que poderão ser ou não periódicas. Na monitorização do comportamento das estruturas, a medição das grandezas relevantes é realizada em permanência com recurso a sistemas que fazem parte integrante da obra. 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 [3]. A integração destes diversos componentes num mesmo sistema viabiliza o acompanhamento permanente da estrutura, medindo, interpretando, sentindo a estrutura.

Figura 1. Conservação proativa versus conservação reativa.

Condição estrutural

PROATIVA

REATIVA

Limite crítico

TempoProativa:

Períodos curtos de disfunção

Reativa:

Períodos longos de disfunção

Encontro Nacional, Betão Estrutural 2016

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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 caracterizam 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, 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 [4]. 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 Fig. 2 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. Compete à rede de sensores, distribuída ao longo da estrutura e na sua envolvente, medir as grandezas mecânicas, físicas e químicas consideradas mais representativas para a perceção dos fenómenos envolvidos. A seleção destas grandezas é em muito dependente do tipo de estrutura e do objetivo primário da monitorização. Entre muitas outras grandezas, pode-se destacar a possibilidade de medição de deslocamentos, rotações, forças, pressão, extensões, acelerações, etc. para além de temperaturas e humidades relativas.

Figura 2. Esquema geral de um sistema de monitorização.

Na unidade central de processamento é realizado o controlo local da aquisição e o tratamento prévio das leituras, segundo procedimentos automáticos estabelecidos previamente 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 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 [5]. O rápido crescimento a que se assistiu ao longo das duas últimas décadas no que diz respeito à tecnologia que rodeia os sensores, sistemas de aquisição, sistemas de comunicação e nas técnicas de processamento de dados veio exponenciar as potencialidades da monitorização estrutural. Um conjunto amplo de

UNIDADE DE AQUISIÇÃO

GERAÇÃO DE ALARMES

AVALIAÇÃO E DETECÇÃO DE DANOS

CONTROLO DA AQUISIÇÃO E TRATAMENTO DE DADOS

SISTEMA DE TRANSMISÃO

REMOTA

REDE DE COMUNICAÇÃO

LOCAL

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UNIDADE CENTRAL DE

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REDE DE SENSORES

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COMUNICAÇÃO

CENTRAL DE CONTROLO

CONTROLO, VISUALIZAÇÃO E

PÓS-PROCESSAMENTO


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sensores, sistemas de aquisição e demais equipamentos começa a estar disponível no mercado respondendo especificamente às exigências da engenharia civil. Neste contexto, este artigo retrata a experiência do CONSTRUCT-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, dos quais se destacam os transdutores em fibra ótica, para medição de deformações, deslocamentos relativos e flechas, e os sistemas para medição de parâmetros de durabilidade do betão armado. Recorre-se depois a duas aplicações práticas para ilustrar os aspetos mais relevantes dos planos de monitorização implementados e os principais resultados alcançados: i) a monitorização estrutural e da durabilidade do Viaduto do Corgo que remete para uma obra nova, recentemente construída, cujo sistema visa, para além do controlo da fase construtiva, o acompanhamento da estrutura ao longo da sua vida útil, em plena exploração; e ii) a monitorização estrutural da Ponte de Foz Dão, obra que exibia um estado crítico de conservação e que se manteve em serviço até à sua substituição recente. 2. SENSORES EM FIBRA ÓTICA A tecnologia dos sensores em fibra ótica foi inicialmente desenvolvida no seio da indústria aeronáutica 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 [6]. De entre as várias tipologias disponíveis, destacam-se os sensores Bragg em fibra ótica, baseados na modulação do comprimento de onda da luz, muito utilizados na conceção de extensómetros e de sensores de temperatura com elevada sensibilidade. Face ao estado da arte encontrado, verificou-se que os sensores de Bragg, apesar das suas potencialidades em termos metrológicos, permanecem pouco explorados. O cenário encontrado justificou o desenvolvimento de novas soluções mais fiáveis, robustas e económicas. A utilização destes sensores no fabrico de transdutores aplicados à área da engenharia civil tem permitido avanços significativos, alguns dos quais são de seguida referidos. 2.1. Medição de deformações no betão Os transdutores de deformação com bases curtas para medição de extensões no betão, embora representem corretamente as extensões instaladas num determinado ponto, são pouco representativos da deformação global da estrutura [7]. Na monitorização do comportamento das estruturas de betão, justifica-se por isso a adoção de uma base de medida mais alargada, capaz de avaliar a deformação representativa do elemento estrutural de forma mais independente da posição das descontinuidades que afetam o material. Neste contexto criaram-se soluções válidas para um espetro vasto de estruturas que pode ir de edifícios, pontes, barragens ou túneis entre muitas outras. Ilustram-se duas das soluções desenvolvidas: i) para utilização em estruturas de betão novas (Fig. 3.a); e para integração em estruturas existentes (Fig. 3.b). Ensaios laboratoriais e posteriores aplicações em obras permitiram concluir acerca da adequabilidade das soluções encontradas, porquanto avaliam corretamente, em cada caso, as deformações do betão, exibindo uma boa capacidade em lidar com a fendilhação do betão caso exista.

a)

b) Figura 3. Extensómetros de embeber no betão, para aplicação em: a) estruturas novas; b) estruturas existentes.


5

Estes transdutores de deformação foram inicialmente desenvolvidos para acomodar sensores de Bragg em fibra ótica. No entanto, o elemento sensor pode ser o extensómetro elétrico sempre que se pretenda integrar o transdutor num sistema de aquisição de base elétrica. Na Fig. 4, ilustra-se a deformação medida por quatro transdutores de base elétrica para estruturas existentes aplicados a uma secção do arco em betão simples da ponte rodoviária de Foz Tua, durante a passagem de um veículo pesado [8]. É de notar a elevada sensibilidade do transdutor, apresentando um ruído inferior a 0.4 microstrains.

Figura 4. Efeito da passagem de um veículo pesado sobre as deformações numa secção do arco de betão na

ponte rodoviária de Foz Tua com cerca de 75 anos de idade. 2.2. Medição de deslocamentos Os deslocamentos relativos em estruturas de engenharia civil, nomeadamente a resposta das juntas de dilatação e dos aparelhos de apoio em pontes e viadutos, constitui uma das grandezas mais representativas do comportamento destas estruturas e um parâmetro de referência na avaliação da sua segurança e integridade [9]. O desenvolvimento e a conceção de um transdutor de deslocamento resultaram da necessidade de responder, em condições de fiabilidade, de robustez e de economia, às exigências encontradas em recentes projetos de monitorização de estruturas, os quais preconizaram a adoção de sistemas de medição exclusivamente óticos. O transdutor desenvolvido (ver Fig. 5), objeto de Patente Nacional, foi concebido para um campo de medida até 200 mm, sendo adequado à observação in situ do comportamento, não só de pontes e viadutos, mas também de barragens, grandes edifícios e estruturas especiais. Apresenta um princípio de funcionamento inovador, com elevada sensibilidade e estabilidade metrológica, mesmo sob condições ambientais adversas.

a) b) Figura 5. Transdutor de deslocamento instalado na Ponte Luiz I: a) transdutor e fixação na estrutura: b)

transdutor protegido.


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Na Fig. 6, ilustram-se os resultados da medição, por um período de 2 anos, de um par destes transdutores aplicados junto aos apoios do tabuleiro superior da Ponte Luiz I para medir os movimentos da junta de dilatação do encontro do lado de Gaia.

Figura 6. Registo do movimento da junta do lado de Gaia fornecido por um par de transdutores de deslocamento

óticos aplicados no tabuleiro superior da Ponte Luiz I. 2.3. Medição de flechas em pontes e viadutos Um dos processos mais adequado à medição de flechas em pontes e viadutos a utilizar em sistemas de monitorização permanente é baseado no sistema de nivelamento hidrostático, cuja automatização pode ser conseguida com recurso a transdutores de flechas, colocados em linha no circuito, nos pontos onde se pretende obter os deslocamentos verticais [10]. Foi desenvolvido um transdutor de flechas de base ótica, objeto de Patente Internacional [11, 12], apresentando um princípio de funcionamento que assenta numa célula de precisão para medição do peso aparente de um corpo parcialmente imerso no líquido e sujeito às variações de posição da respetiva superfície livre. Um conjunto destes transdutores de flechas foram instalados no Viaduto atirantado sobre o Rio Corgo, na A4 junto a Vila Real, ilustrando-se, na Fig. 7.a), um transdutor de flechas aplicado numa secção no interior do caixão.

a) b) Figura 7. Transdutor de flechas a meio de um dos vãos do Viaduto do Corgo: a) pormenor da instalação; b) linha

de influência da flecha.


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A Fig. 7.b) ilustra os resultados obtidos com este transdutor, quando instalado a meio do vão central do Viaduto do Corgo, durante o atravessamento do tabuleiro em marcha lenta, de quatro veículos a par, obtendo-se assim o traçado da respetiva linha de influência. Os resultados permitem aquilatar do bom desempenho do transdutor em condições reais de obra. 3. MEDIÇÃO DE PARÂMETROS DE DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE BETÃO 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 [13]. Na monitorização da durabilidade podem ser observadas, entre outras, as seguintes grandezas: potencial de corrosão, corrente galvânica, velocidade de corrosão e resistividade do betão. Nos sistemas de monitorização da durabilidade é particularmente adequado incluir sensores para medição dos parâmetros ambientais (temperatura, humidade) dada a influência destes parâmetros nos processos de deterioração do betão e corrosão das armaduras. 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 o estado de corrosão da armadura mais próxima da superfície [14]. A interrogação, aquisição e transferência do sinal do kit-sensor de corrosão é realizada de forma contínua e automática, através de dataloggers específicos [14]. 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 com ligação à armadura. A Fig. 8.a) ilustra um destes dispositivos, designado por kit-sensor de corrosão, instalado na Ponte da Lezíria sobre o rio Tejo, que integra um sensor de corrente galvânica, um sensor elétrodo de referência e um sensor de temperatura. Mais recentemente, foi desenvolvido, pela FEUP/NewMensus [12], um kit-sensor ajustável à espessura da camada de recobrimento e cuja instalação na estrutura permite obter para além das medidas de potencial de corrosão e intensidade de corrente galvânica a vários níveis da camada de recobrimento, obter a velocidade de corrosão junto à armadura mais próxima da superfície, a resistividade do betão de recobrimento e temperatura. Um conjunto destes sensores foi instalado no edifício do novo Terminal de Cruzeiros de Leixões (ver Fig. 8.b)). Quando se pretende instalar este sistema em estruturas existentes, pode optar-se por sondas circulares, sendo os elétrodos dispostos em torno de uma forma anelar. Os orifícios para instalação destes sensores são abertos com caroteadora, a seco, com diâmetro próximo do diâmetro do próprio sensor, até à profundidade correspondente ao recobrimento das armaduras. Uma vez instalado o sensor, a folga deixada livre entre o sensor e o orifício é preenchido com uma argamassa cimentícia adequada.

a) b) Figura 8. Sistemas de medição dos parâmetros de durabilidade instalados antes da betonagem: a) Kit-sensor

instalado na Ponte da Lezíria; b) Kit-sensor instalado no Terminal de Cruzeiros de Leixões.


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Na Fig. 9, ilustram-se os resultados do potencial de corrosão dos quatro ânodos de um kit-sensor instalado na Ponte da Lezíria, mostrando valores indicativos de uma probabilidade de corrosão moderada a alta para um dos ânodos do sensor. Para além do potencial de corrosão, é representada a temperatura ao nível da armadura mais próxima da superfície e o valor da precipitação média diária recolhida por uma estação meteorológica localizada relativamente próxima da estrutura. Os valores do potencial de corrosão recolhidos de forma contínua parecem indicar que os três ânodos mais interiores se encontram passivos enquanto que o ânodo instalado mais próximo da superfície de betão apresenta valores típicos de alguma atividade de corrosão, especialmente durante os períodos de intensa precipitação. Nos períodos secos, o valor do potencial deste ânodo mais exterior acaba por subir para valores típicos de baixa probabilidade de corrosão. Estes resultados evidenciam efetivamente a grande vantagem de dotar o sistema de monitorização da durabilidade de uma aquisição contínua e automática com sistemas de alerta baseados na evolução dos parâmetros de durabilidade ao longo do tempo e da espessura da camada de recobrimento, em detrimento das inspeções pontuais.

Figura 9. Resultados da percipitação, temperatura e potencial de corrosão (Ecorr) recolhidos do kit-sensor

instalado na Ponte da Lezíria. 4. MONITORIZAÇÃO DE UMA OBRA NOVA – O VIADUTO DO CORGO O Viaduto do Corgo constitui a mais recente travessia do vale do Corgo, em Vila Real, integrado na expansão da Autoestrada A4/IP4, inaugurado em 2013. Dada a importância desta obra, foi decidido dotá-la de um sistema de monitorização estrutural e da durabilidade. Foi do interesse do projetista, do empreiteiro e do dono da obra a obtenção de informação complementar relativamente ao comportamento da estrutura, durante a sua construção e ao longo dos anos subsequentes, com a estrutura em serviço. 4.1. Descrição da estrutura A solução preconizada para atravessamento do Rio Corgo (ver Fig. 10) é materializada num viaduto de betão armado pré-esforçado com 2796 metros de extensão total, dividido em três sub-viadutos contínuos: o de poente, o central e o de nascente. Estas três estruturas apresentam, respetivamente, 855m, 768m e 1167m de extensão entre eixos de apoios extremos [15]. O Viaduto Central constitui a estrutura principal desta infraestrutura, apresentando um tabuleiro com um vão central de 300 metros sobre o vale do rio. Para vencer este vale, encontra-se uma solução atirantada com suspensão central (300 m), prolongada por vãos de continuidade (126 m) de cada um dos lados. É também esta a zona de maior desnível em relação ao solo, encontrando-se o tabuleiro a cerca de 230 metros do fundo do vale.

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Figura 10. Vista geral do Viaduto do Corgo.

4.2. Plano de monitorização estrutural e da durabilidade O sistema de monitorização estrutural projetado e implementado no Viaduto do Corgo foi então concebido tendo no seu cerne os seguintes objetivos principais:

− avaliar a deformação de secções da estrutura (pilares e tabuleiro); − avaliar a rotação de secções de pilares, dos mastros e do tabuleiro; − estimar os deslocamentos horizontais do topo dos mastros; − determinar a tensão nas diagonais no interior do tabuleiro (zona atirantada); − avaliar a força instalada nos tirantes; − detetar eventuais rotações de maciços de fundação; − avaliar as flechas (deslocamento vertical relativo) do tabuleiro; − avaliar os movimentos das juntas de dilatação.

Do ponto de vista da durabilidade, era também objetivo acompanhar as propriedades do betão de recobrimento e o estado de corrosão das armaduras internas. Pretendia-se ainda recolher informação de suporte, essencial à interpretação das medições efetuadas, nomeadamente acerca das condições meteorológicas que envolvem a estrutura e acerca da retração e da fluência do betão. Dada a dimensão da estrutura e o carácter da avaliação pretendida, a caracterização experimental é feita por amostragem, tendo sido escolhidas duas zonas de intervenção: Zona I - o Viaduto Central (entre P15 e P22); Zona II - uma zona do Viaduto Nascente com pilares de maior altura (entre P26 e P28). Dando destaque ao Viaduto Central, na Fig. 11 dá-se a conhecer a posição relativa das várias secções instrumentadas e as respetivas grandezas medidas em cada uma delas [16]. Para medição das grandezas supracitadas, o sistema de medição baseia-se em instrumentação quer de natureza ótica, quer de natureza elétrica, procurando as soluções mais fiáveis e competitivas para medição de cada grandeza específica. Seguidamente faz-se uma apresentação sucinta dessa instrumentação.

Figura 11. Grandezas medidas e sua localização no Viaduto Central (Zona I).


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4.3. Instrumentação 4.3.1. Deformação do betão

Para medição da deformação do betão, foram instrumentadas secções representativas dos pilares, na base e no topo, e secções do tabuleiro, a meio-vão e junto aos apoios (ver Fig. 11). Cada secção contempla quatro pontos de medição, conforme se representa nas secções transversais caracterizadas nas Figs. 12 e 13, visando a determinação de extensões médias e de curvaturas e, por essa via, permitindo a estimativa do esforço axial e do momento fletor aí instalado. Para medir a extensão do betão, adotaram-se transdutores de deformação em fibra ótica, baseados nas redes de Bragg (ver Fig. 3.a)). Todos os sensores foram instalados imediatamente antes da respetiva betonagem, alinhados longitudinalmente, junto da respetiva malha de armadura.

Figura 12. Posição esquemática dos sensores instalados numa secção transversal do pilar.

Figura 13. Posição esquemática dos sensores instalados numa secção transversal do tabuleiro.

4.3.2 Extensão nas diagonais internas

Procede-se à medição de variações de extensão nas diagonais de suspensão no interior do tabuleiro em caixão. As secções instrumentadas concentram-se sobretudo nos primeiros pares de diagonais, junto dos pilares P18 e P19. Para o efeito utilizam-se sensores de Bragg colados diretamente na superfície metálica dos perfis que as constituem (2x½HEB320). Em cada diagonal foram instalados quatro sensores, convenientemente dispostos, permitindo a estimativa da variação da tensão média instalada em cada fase de tensionamento dos tirantes e ao longo do tempo. 4.3.3 Força em tirantes

Para medição da força de tração instalada nos tirantes de suspensão, combina-se um sistema de medição misto. Este sistema recorre à interposição de células de carga em três cabeças de ancoragem (medição direta) e à instalação de 10 acelerómetros, um em cada tirante (medição indireta recorrendo à teoria das cordas vibrantes). Consegue-se assim estimar a tração em 10 tirantes: 3 tirantes estão instrumentados com acelerómetros e células de carga, os restantes 7 apenas com acelerómetros. Um algoritmo de cálculo permite posteriormente estimar o valor da tensão de tração em cada tirante. 4.3.4 Rotações

Procede-se à medição direta de rotações em duas zonas distintas da estrutura: nos maciços de fundação para medição de eventuais rotações de maciços de fundação dos pilares P18 e P19; e em quatro secções do tabuleiro para quantificação das rotações longitudinais do tabuleiro. Para medição das rotações dos elementos estruturais foram adotados inclinómetros uniaxiais baseados em tecnologia elétrica, com sinal em corrente. Estes inclinómetros, ligados ao sistema de aquisição em questão, revelam uma resolução de ±1×10-3 º e uma gama de medição de ±1 º.


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4.3.5 Flechas do tabuleiro

O acompanhamento da deformada da estrutura inclui a medição das flechas do tabuleiro. Atendendo à altura da estrutura, esta medição decorre sem qualquer referência física ao solo baseando-se num nivelamento hidrostático e na aplicação do princípio dos vasos comunicantes a um circuito hidráulico interno, que percorre longitudinalmente todo o Viaduto Central. Para medição dos níveis hidrostáticos e consequentemente para estimativas das flechas recorre-se a transdutores baseados em sensores em fibra ótica desenvolvidos para o efeito (ver Fig. 7). Preconizam-se cinco transdutores nas secções de vão e mais dois em duas secções consideradas de referência (sobre os pilares P18 e P19). 4.3.6 Deslocamentos dos mastros

A estimativa dos deslocamentos do topo de cada um dos mastros (P18 e P19) é conduzida por via indireta a partir da medição da rotação dos fustes e do próprio mastro. Para o efeito recorre-se a pares de inclinómetros uniaxiais, distribuídos por três secções em cada torre. Um modelo de cálculo permite estabelecer a correlação entre as rotações e os deslocamentos do topo [17]. 4.3.7 Deslocamentos de aparelhos de apoio

Realiza-se a medição do movimento das juntas de dilatação nas extremidades dos tabuleiros. Para o efeito, utilizam-se 6 pares de transdutores de deslocamento elétricos, do tipo LVDT, instalados junto dos aparelhos de apoio respetivos. 4.3.8 Retração e fluência do betão

A verificação in situ da evolução da retração e da fluência do betão é conseguida a partir da instrumentação de prismas com transdutores de deformação idênticos aos que são utilizados nas secções do tabuleiro. Estes prismas foram betonados em simultâneo com fases bem identificadas da obra e mantidos livres de tensões mecânicas ou sob tensão constante consoante se trate da caracterização da retração ou da fluência, respetivamente. 4.3.9 Durabilidade

A monitorização da durabilidade da estrutura é realizada por meio de sensores de embeber no betão instalados na camada de recobrimento e ligados à armadura, durante a fase de construção (ver Fig. 8). Em cada ponto da estrutura onde se pretende aferir os parâmetros de durabilidade foi instalado um transdutor, que integra um sensor de corrente galvânica, um sensor elétrodo de referência e um sensor de temperatura, permitindo obter medidas de potencial de corrosão, corrente galvânica e temperatura. 4.4. Resultados De forma a ilustrar o funcionamento deste sistema, apresentam-se alguns dos resultados da fase construtiva e durante a fase subsequente de exploração, onde se procura evidenciar as suas potencialidades no controlo da obra e na avaliação contínua do seu comportamento. 4.4.1. Durante a fase construtiva O sistema de monitorização estrutural começou a ser instalado e operacionalizado ainda durante a construção da obra, permitindo o acompanhamento das grandezas mais significativas durante o processo construtivo. Procedeu-se assim ao registo das deformações no betão, das extensões nas diagonais internas, das forças nos tirantes e das variações de temperatura. A título de exemplo, a Fig. 14 apresenta a evolução da força no sexto tirante de suspensão do vão lateral centrado no P18 (T18.L.6), desde o instante do seu tensionamento, medida através da célula de carga instalada na ancoragem deste cabo. Assinala-se a variação da força instalada no cabo associada às várias fases de construção. Esta quantificação permitiu, no contexto da obra, a retificação iterativa da força aplicada nos tirantes, possibilitando o seu ajuste relativamente ao prescrito pelo projeto.


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Figura 14. Evolução da força no tirante T18.L.6 durante o processo construtivo.

4.4.2. Durante a fase de exploração Concluída a construção, o sistema de monitorização estrutural e de durabilidade foi posto a funcionar em pleno. Toda a rede de sensores foi integrada em postos de observação e todos os componentes interligados em rede. O módulo de comunicação remota foi operacionalizado e, num servidor externo, foram implementados algoritmos para processamento automático dos dados. Uma aplicação web permite, neste momento, o acesso aos resultados da fase de exploração com carregamentos diários. As figuras seguintes ilustram alguns dos resultados obtidos ao longo dos últimos 30 meses (2 anos e meio), tendo-se selecionado para o efeito: o movimento de uma das juntas (Fig. 15), a rotação de uma secção do tabuleiro (Fig. 16), a força em três tirantes do vão central (Fig. 17) e o potencial de corrosão da armadura numa secção do tabuleiro (Fig. 18). 4.5. Consulta e exploração de resultados A plataforma denominada por SHMmensus é uma aplicação web que, de forma abrangente, integra, num acesso remoto, os resultados orientados da monitorização estrutural em curso [18]. A qualquer utilizador autorizado, possibilita-se a consulta interativa e imediata dos resultados sob o formato de gráficos, tabelas ou pictogramas, tal como se ilustra na Fig. 19. Permite ainda a consulta de um sistema de alarmes automático que, com base em modelos e limites pré-estabelecidos, reflete o comportamento de cada grandeza observada.

Figura 15. Evolução do movimento de uma das juntas de dilatação durante a exploração da estrutura.


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Figura 16. Evolução da rotação de uma das secções do tabuleiro durante a exploração da estrutura.

Figura 17. Evolução das forças nos tirantes no vão central durante a exploração da estrutura.

Figura 18. Evolução do potencial de corrosão da armadura numa secção do tabuleiro na fase de exploração.


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Figura 19. Aplicação web (SHMmensus) onde se disponibilizam os resultados sob diferentes formatos.

5. MONITORIZAÇÃO DE UMA OBRA NUM ESTADO CRÍTICO DE CONSERVAÇÃO – A

PONTE DE FOZ DÃO Este segundo caso de aplicação remete para a monitorização estrutural da Ponte da Foz do Rio Dão, que se enquadra num conjunto de obras próximas afetadas por fenómenos de deterioração prematura associados à ocorrência de reações álcalis-sílica (RAS) no interior do betão. Neste caso, o poder expansivo da RAS conduziu à fissuração generalizada do betão dos pilares com potenciais implicações ao nível da segurança estrutural que culminaram na necessidade de substituição, com a construção de uma nova ponte adjacente. Expõe-se aqui a monitorização estrutural levada a cabo e o seu contributo no acompanhamento da Ponte de Foz Dão durante a operação de substituição em curso. 5.1 Descrição da estrutura A Ponte de Foz Dão, projetada em 1975 pelo Prof. Edgar Cardoso, está representada na Fig. 20. Apresenta um total de 9 vãos, estruturados numa métrica de 30 m para os vãos extremos e 40 m para os vãos interiores. O tabuleiro, em betão armado pré-esforçado, é materializado por uma laje vigada composta por quatro vigas longitudinais afastadas entre si de 4.0 metros, com altura entre 2.50 e 2.00 m e largura de 0.50 a 0.30 m, variáveis dos apoios até ao terço central do vão, respetivamente. Representa-se a geometria da secção transversal a meio-vão na Fig. 21 [19].

Figura 20. Alçado geral da Ponte sobre o Rio Dão (30 + 7x40 + 30m).

EEP1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

ED

ViseuCoimbra


15

Figura 21. Secção transversal tipo do tabuleiro a meio-vão.

Os pilares são constituídos por um fuste central com secção transversal oca em forma de losango, com uma espessura de parede de 0.20 m conforme se representa na Fig. 22. Destaca-se a altura máxima do pilar P5 com 85 m. No coroamento dos pilares, existe uma travessa com uma largura de 0.80 m e com altura variável de 1.0 m a 3.0 m, desenvolvendo-se para cada lado dos pilares, servindo de apoio para as quatro vigas do tabuleiro. Sob o fuste, situa-se um embasamento, igualmente com secção oca em losango, com uma espessura de parede de 0.70 m, fazendo a ligação às sapatas apoiadas diretamente no maciço granítico.

Figura 22. Geometria dos pilares: a) alçado frontal; b) alçado lateral; c) planta; d) planta da fundação.

5.2. Estado de conservação No decorrer de diversas inspeções efetuadas ao longo da última década, foram sendo identificadas anomalias significativas que tornavam crítico o estado de conservação da estrutura. A generalidade destas anomalias estava associada a reações expansivas do tipo álcalis-sílica no betão dos pilares e encontros, com particular evidência nas zonas imersas e nas que estão sujeitas a molhagem-secagem, em função dos níveis de água de exploração da albufeira. Como é típico nestas situações, destaca-se a persistência de fendilhação, predominantemente vertical ou aleatória, com abertura elevada e progressiva, chegando a atingir 7.5 mm, conforme patente na Fig. 23.a) [20]. De forma a mitigar as situações mais prementes, ao longo dos últimos anos, esta ponte tinha sido objeto de acompanhamento atento por intermédio de inspeções periódicas e tinham sido realizadas intervenções de reparação e reforço, a diferentes níveis da estrutura, de forma regular. No entanto, face à evolução

2%

4.00

0.303.70 3.703.70

4.004.00

1.06

0.50

0.30 1.30 2.50 3.50

15.20

3.50 2.50 1.30 0.30

0.30

1.75

0.300.30

4.55

5.00

4.254.25

10.00

4.00

8.00

0.50

14.003.00 3.008.00

5.00

1.6015.2012.001.60

10.00

5.00

VARIÁVEL

4.25

8.00

4.25

3.00

4.00

a) b)

c)

d)


16

desfavorável do estado da estrutura e ao risco de agravamento existente, em 2013 começou a ser construída, a escassos metros, uma nova ponte de substituição (ver Fig. 23.b)). Entre 2013 e 2015, enquanto se realizou a obra de substituição, a ponte original teve de ser mantida em serviço, justificando-se a sua vigilância atenta.

a) b) Figura 23. Estado de conservação: a) fendilhação na base de um dos pilares (fonte: PROFICO); b) construção da

nova ponte de substituição

5.3. Plano de monitorização estrutural O objetivo do presente programa de monitorização passava por acompanhar o comportamento da respetiva estrutura durante um período crítico onde decorria a construção da nova ponte e a obra degradada mantinha-se em exploração. Por esta via, procurou-se a medição e disponibilização das grandezas mais relevantes por forma a auxiliar na avaliação das condições de segurança e na deteção, em tempo real, de eventuais danos causados pela construção na proximidade e pela exploração. A seleção das grandezas consideradas relevantes a observar para atingir os objetivos em causa resultou de um estudo técnico desenvolvido pelo dono da obra (IP), pelos projetistas da reabilitação (TRIEDE e A2P), pelos projetistas do sistema de monitorização (IC e NewMENSUS) e pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). Concluiu-se que as rotações no topo dos pilares e os deslocamentos dos aparelhos de apoio em juntas de dilatação constituíam indicadores válidos quanto à resposta da estrutura e revelavam ser bastante sensíveis aos potenciais danos que a estrutura poderia sofrer. O sistema de monitorização foi então concebido de forma a que a partir da observação em contínuo do movimento do tabuleiro e das rotações do topo dos pilares, quando sujeitos à ação diária da temperatura, se pudesse identificar o estado de referência do comportamento da estrutura e posteriormente se conseguisse identificar, preventivamente, eventuais comportamentos anómalos [21]. 5.4. Instrumentação A instrumentação desta obra incluiu a seleção dos pontos de medição e respetivos sensores, a identificação do equipamento de leitura e a completa definição da integração do conjunto na estrutura. Imperou a necessidade de garantir a correta transdução das grandezas propostas e a fiabilidade do sistema durante o período espectável de funcionamento (2 anos). 5.4.1. Rotação dos pilares

De forma a captar rotações longitudinais e transversais, recorreu-se à instalação de inclinómetros elétricos biaxiais em todos os pilares da ponte. A Fig. 24 representa o posicionamento dos sensores adotado no pilar tipo, remetendo para uma secção do topo do fuste que se prevê representativa do pilar. A fixação dos sensores à estrutura foi realizada com recurso ao suporte metálico ilustrado na Fig. 25.a), rigidamente ligado à estrutura por intermédio de buchas de aperto mecânico cravadas no betão. Todos os inclinómetros foram ainda protegidos com uma caixa em chapa de aço inox, visível na Fig. 25.b).


17

Figura 24. Posicionamento do inclinómetro biaxial no topo do pilar tipo.

a) b) Figura 25. Inclinómetros nos pilares: a) sensor e fixação na estrutura e b) caixa de proteção.

5.4.2. Movimento das juntas

Para a medição do movimento da junta, localizada sobre o encontro esquerdo, com aparelhos de apoio móveis, foram instalados transdutores de deslocamento elétricos, do tipo LVDT. O referido transdutor está instalado de forma a experimentar o deslocamento relativo entre o tabuleiro e a mesa do encontro, conforme se visualiza na Fig. 26.a), encontrando-se rigidamente ligado aos dois componentes estruturais. O aspeto final da instalação, com a proteção ambiental, está patente na Fig. 26.b).

a) b) Figura 26. Transdutores de deslocamento nas juntas de dilatação: a) sensor e fixação e b) caixa de proteção.

5.4.3. Temperatura

Para apoiar a interpretação das grandezas estruturais anteriores, foram instalados vários sensores de temperatura representativos da temperatura no betão e da temperatura ambiente. Privilegiou-se a localização destes sensores num pilar intermédio e numa secção central do tabuleiro. Em cada secção, a medição da temperatura ocorre em quatro pontos distintos procurando-se diferentes alturas na secção e diferentes condições de exposição solar, conforme se representa na Fig. 27. Para a medição das temperaturas foram utilizados detetores de temperatura resistivos do tipo PT100.

RO-Pi-Lo

RO-Pi-Tr

RO-Pi-Lo

RO-Pi-Tr

E

D

M JTr

Lo

Montante Jusante

Montante Jusante


18

Figura 27. Posicionamento relativo dos sensores de temperatura distribuídos pelos pilares e pelo tabuleiro.

5.5. Aquisição e disponibilização dos resultados Em obra, a respetiva rede de sensores está centralizada num equipamento único de leitura e de aquisição de dados (data logger), através do qual se processa, de forma programada, minuto a minuto, a interrogação do sinal dos sensores. De forma programada, ao longo do dia, os dados registados são enviados para um servidor externo. O processamento dos dados dá-se então no servidor externo, sob os ficheiros provenientes da obra, combinando as operações de importação dos dados, tratamento, conversão e armazenamento numa base de dados. São, no final, aplicados critérios para deteção automática de eventuais danos que culminam, caso se justifique, na geração de mensagens de alarme. 5.6. Resultados da monitorização Demonstrando o funcionamento do sistema de monitorização, mostram-se os principais resultados da monitorização estrutural que se processou entre 2013 e o encerramento da estrutura ao tráfego, em 2015. Para o efeito, selecionou-se, em representatividade, o conjunto de resultados que se considera mais ilustrativos, nomeadamente as rotações medidas no Pilar P3, componentes longitudinais e transversais (Fig. 28), deslocamentos associados ao movimento da junta de dilatação no encontro esquerdo (Fig. 29) e as temperaturas medidas na secção intermédia do Pilar P6 (Fig. 30). A lenta variação sazonal da temperatura média ambiente está patente nas flutuações lentas das rotações e dos deslocamentos médios também observados neste período. Associa-se este efeito, preponderantemente, à componente uniforme da variação da temperatura na estrutura e aos seus efeitos combinados nos pilares e no tabuleiro. Também diariamente se observam ciclos de rotação e deslocamento. Neste caso, verifica-se que tal resposta está em muito associada ao efeito da insolação e à componente diferencial da variação diária de temperatura daí resultante.

Figura 28. Evolução das rotações medidas no Pilar P3.

Montante Jusante

T-Pi-MD T-Pi-JD

T-Pi-ME T-Pi-JET-Pi-MD T-Pi-JD

T-Pi-ME T-Pi-JE

T-Ti-JL

T-Ti-JV

T-Ti-ML

T-Ti-MV T-Ti-Amb

T-Pi-Amb

Montante Jusante

2013/10 2014/01 2014/04 2014/07 2014/10 2015/01 2015/04 2015/07 2015/10

−60

−40

−20

0

20

40

60

Data (aaaa/mm)

Rot

ação

(10

−3 °

)

RO−P3−Lo RO−P3−Tr


19

Figura 29. Evolução dos movimentos nas juntas medidos no Encontro Esquerdo.

Figura 30. Evolução das temperaturas medidas no Pilar P6.

No conjunto, substanciando uma análise numérica realizada em paralelo, constata-se que o efeito da temperatura, na sua componente diferencial e uniforme, é influente no comportamento global da estrutura. Análises de correlação também assim o demonstraram. Salienta-se que, por tudo isto, revela ser fundamental a correta caracterização da temperatura em pontos representativos dos perfis de gradientes térmicos instalados na estrutura. 5.7. Sistema de vigilância e alerta Complementando a análise da evolução das grandezas ilustrada anteriormente, para deteção de alterações no comportamento da estrutura, indiciadoras de eventuais alterações na condição estrutural, recorre-se a um modelo estatístico baseado numa regressão linear múltipla. Prevê-se, por esta via, o comportamento da estrutura, inferido nas grandezas estruturais medidas, com base na ponderação linear das grandezas ambientais. As variáveis preditoras selecionadas para o respetivo modelo correspondem às várias temperaturas medidas. Incluem-se aqui as quatro temperaturas medidas numa secção do tabuleiro, as quatro temperaturas medidas na secção de um pilar, a temperatura de um inclinómetro e a temperatura ambiente. Considera-se assim que, para a natureza dos fenómenos em estudo, estas solicitações ambientais deverão ser capazes de justificar satisfatoriamente o andamento das grandezas estruturais medidas. Por conseguinte, as variáveis de saída do modelo desenvolvido, ou seja, as variáveis de controlo, correspondem às componentes longitudinal e transversal da rotação de cada pilar, bem como aos deslocamentos da junta de dilatação.

ppppi xxxxXxXxXYE ββββ ++++==== KK 221102211 ],,,|[

2013/10 2014/01 2014/04 2014/07 2014/10 2015/01 2015/04 2015/07 2015/10

−40

−20

0

20

40

Data (aaaa/mm)

Mov

imen

to d

a ju

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(mm

)

DJ−EE−M DJ−EE−J

2013/10 2014/01 2014/04 2014/07 2014/10 2015/01 2015/04 2015/07 2015/10

0

10

20

30

Data (aaaa/mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

T−P6−ME T−P6−MD T−P6−JE T−P6−JD


20

Para construção inicial do modelo reportado, considerou-se um intervalo de tempo inicial, durante o qual se admitiu que não ocorreram alterações significativas na condição e no comportamento da estrutura. Analisaram-se para este período as relações funcionais entre as variáveis preditoras e a resposta estrutural associada, chegando-se ao valor dos respetivos parâmetros do modelo, βi, por minimização da função de desvio. Na Fig. 31, ilustra-se o resultado da aplicação do modelo de regressão linear sobre uma das rotações medidas (RO-P3-Lo). Com base no gráfico, destaca-se a assinalável concordância entre os valores estimados e os valores medidos. A linha azul representa a diferença entre o estimado e o medido, aqui designado por resíduo.

Figura 31. Resultados do modelo de compensação dos efeitos ambientais sobre o Pilar P3.

Pelo seu significado, o resíduo é objeto de análise ao longo do tempo. Esperava-se que um eventual aumento deste indicador, que se associa a uma incapacidade de o modelo estatístico prever a resposta da estrutura, possa revelar alterações no comportamento da estrutura. Por este motivo, este indicador constituiu também a base dos níveis de alerta amarelo e vermelho implementados. Conforme consta no protocolo de apoio, para cada grandeza medida, preconiza-se a existência de dois níveis de alarme correspondentes às situações de alerta amarelo e vermelho [22]. A Fig. 32 ilustra a implementação dos respetivos níveis de alerta na aplicação informática que compõe o sistema. Em tempo útil, torna-se assim possível ter um panorama geral do estado da estrutura representado numa tabela resumo (Fig. 32.a)) ou nos gráficos individuais de cada parâmetro medido (Fig. 32.b)). A obtenção de estados anormais está ainda associada ao envio automático de mensagens de alerta para as entidades envolvidas.

a) b) Figura 32. Visualização de indicadores relativos aos estados de alerta disponibilizados na aplicação web.

2013/10 2014/01 2014/04 2014/07 2014/10 2015/01 2015/04 2015/07 2015/10

−60

−40

−20

0

20

40

60

Data (aaaa/mm)

Rot

ação

(10

−3 °

)

RO−P3−Lo (medido) RO−P3−Lo (estimado) RO−P3−Lo (residuo)


21

Os respetivos limites de alerta foram acompanhados pela equipa projetista. Associou-se o nível de alerta amarelo a um desvio ligeiro do comportamento da estrutura relativamente ao estado de referência. A evolução do comportamento da estrutura após a sua ocorrência deveria ser acompanhada com grau crescente de atenção e criticismo. Já o nível de alerta vermelho refletia alterações significativas no comportamento da estrutura. Este alerta implicaria a realização de estudos complementares com vista à avaliação da condição efetiva da estrutura. Quando persistente, projetam-se então análises complementares, nomeadamente com a avaliação direcionada dos modelos estruturais, realização de inspeções visuais, levamento geométrico de precisão e ensaios complementares não-destrutivos. Validada a gravidade do aviso, competiria ao dono de obra tomar medidas adequadas que levassem à minimização dos riscos resultantes [22]. 6. CONCLUSÕES Na presente comunicação é apresentada alguma da experiencia adquirida pelos autores na implementação e no acompanhamento de sistemas de monitorização da integridade estrutural que desempenham um papel cada vez mais relevante na gestão das infraestruturas de engenharia civil. Os sistemas automáticos de aquisição e de processamento de dados disponibilizam informação essencial acerca da segurança e da durabilidade das estruturas, permitindo uma gestão eficiente dos recursos em operações de manutenção e de reparação. O desenvolvimento de sistemas de vigilância e de alerta, com o estabelecimento de valores limites para cada uma das grandezas monitorizadas, constitui um avanço na direcção do desenvolvimento de estruturas inteligentes. 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 e úteis às entidades responsáveis pela gestão do nosso património. São apresentadas duas aplicações, uma obra nova, o Viaduto do Corgo, na A4, junto a Vila Real, que iniciou a sua fase de exploração, e outra, uma ponte em estado crítico de conservação, Ponte de Foz Dão, que cumpria os últimos anos da sua vida útil. Estes exemplos servem para ilustrar o estado atual dos sistemas de monitorização aplicados em Portugal e mostrar as enormes potencialidades que encerram sendo uma área de desenvolvimento importante na engenharia civil. 7. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio e a disponibilidade das Entidades e Empresas que estiveram envolvidas e tornaram possíveis os trabalhos de monitorização nomeadamente, Infraestruturas de Portugal, Metro do Porto, Brisa, AEXXI, CAETXXI, Triede, LCW, Soares da Costa, Foz Tua ACE. REFERÊNCIAS

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experiência no desenvolvimento e aplicação de sistemas de...

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