monitorização e vigilância estrutural de pontes de betão...

ANAIS DO 57º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2015 – 57CBC 1

Monitorização e vigilância estrutural de pontes de betão em estado crítico de conservação – o caso da Ponte de Foz Dão

Structural health monitoring of concrete bridges in critical state of conservation – the Foz Dão bridge case

Carlos Rodrigues (1); Carlos Sousa (2); Helena Figueiras (3); Rémy Faria (3); Joaquim Figueiras (4)

(1) Professor Adjunto Convidado, Instituto Superior de Engenharia do Porto. CONSTRUCT. Portugal. (2) Professor Auxiliar, CONSTRUCT, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Portugal.

(3) Engenheiro Civil. NewMENSUS, Lda. Portugal. (4) Professor Catedrático. CONSTRUCT, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Portugal.

[email protected]. Rua Dr. António Bernardino de Almeida, 43. 4200-072 Porto. Portugal.

Resumo Este artigo apresenta a monitorização estrutural levada a cabo na ponte de Foz Dão, situada na Região Centro de Portugal. Construída na década de 1970, esta ponte tem vindo a apresentar um estado de conservação crítico, revelando problemas estruturais inerentes à progressão de reações expansivas álcalis-sílica (RAS) que afetam, de forma acentuada, o betão dos pilares e fundações. Enquanto não terminar a obra de substituição em curso, não está totalmente afastada a possibilidade de ocorrerem alterações estruturais na base dos pilares com consequências imprevisíveis para toda a estrutura. No presente trabalho, descreve-se a estratégia da monitorização estrutural implementada na referida ponte. Recorre-se à monitorização contínua das rotações no topo de todos os pilares, junto à sua interseção rotulada com o tabuleiro, por intermédio de inclinómetros elétricos, bem como de deslocamentos relativos nas juntas de dilatação com recurso a LDVTs e de temperaturas selecionadas. São aqui introduzidos os respetivos planos de instrumentação, demonstrando a sua adequação à luz de vários cenários de dano simulados num modelo numérico representativo. De forma integrada, percorrendo as várias valências, apresentam-se os principais resultados alcançados ao longo de mais de um ano da monitorização estrutural ainda em curso. Descrevem-se os modelos de regressão linear múltipla desenvolvidos para isolar as medições dos efeitos ambientais e operacionais interferentes na estrutura, visando a implementação de limites de alerta associados a níveis de dano limite. Do ponto de vista operacional, faz-se ainda referência aos regimes de alerta implementados e a uma aplicação informática que permite a consulta remota dos respetivos resultados. Palavras-Chave: monitorização estrutural; estados de alerta e vigilância; deteção de dano

Abstract This paper presents the structural health monitoring carried out on the Foz Dão bridge. This bridge built in the 1970s is located in the central region of Portugal and it has shown structural problems related to alkali-silica expansive reactions (ASR) which gave rise to extensive cracking in the submerged pillars and foundations. While the ongoing new bridge construction are not concluded, the risk of possible structural changes in the bases of the concrete pillars, with unpredictable consequences for the entire structure, is not guaranteed, and it justifies a close structural monitoring strategy. The present structural health monitoring system is based on the continuous monitoring of rotations on top of all the pillars, with resource to electrical inclinometers, and of joint displacements and selected temperatures. The respective instrumentation plans are presented and their suitability is demonstrated analyzing significant damage scenarios through a representative numerical model. The main results achieved during a period of over a year of the ongoing structural monitoring are then presented and discussed. Multiple linear regression models were developed to isolate the operational and environmental effects allowing the application of alarm states associated with damage limits. The warning surveillance system and the web-based application that allows the remote access to the continuously updated results are also referred to. Keywords: structural health monitoring; alert system; damage detection


1 Introdução

A deterioração dos materiais estruturais tem conduzido a situações complexas para os donos de obra preocupados com a segurança das suas infraestruturas. Sobretudo quando é de interesse manter a infraestrutura em serviço até à sua plena reabilitação ou substituição, a observação da evolução da segurança estrutural ganha o máximo relevo. Nos casos onde estes fenómenos de deterioração são generalizados, verifica-se contudo que a avaliação da segurança efetiva e a previsão da sua evolução será dificilmente conseguida pelos ensaios convencionais de diagnóstico e pela modelação numérica. As deficiências estruturais têm aqui um carácter global que não se carateriza completamente nas grandezas avaliadas de forma localizada subjacente à maioria dos ensaios. Procurando obviar as limitações anteriores, a monitorização estrutural apresenta-se como uma estratégia válida para a recolha de indicadores efetivos relativos à condição das estruturas. A medição e acompanhamento de diferentes grandezas relativas à resposta da estrutura permite analisar experimentalmente o respetivo comportamento real. Permitindo um diagnóstico imediato, visa ainda alertar precocemente para qualquer alteração estrutural antes da sua evolução para situações de maior risco. Este trabalho 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.

2 Caso de estudo – a Ponte de Foz Dão e as Pontes da Aguieira

O caso de estudo que aqui se reporta é baseado fundamentalmente na abordagem aplicada na Ponte de Foz Dão. Importa no entanto referir que esta ponte se enquadra num conjunto de quatro pontes próximas (ver Figura 1), na região centro de Portugal: a Ponte sobre o Rio Dão (340 m), na foz do Rio Dão, a Ponte do Criz I (180 m), a Ponte do Criz II (300 m) e a Ponte de São João das Areias (260 m). Com projeto da autoria do Prof. Edgar Cardoso, foram construídas entre os anos de 1976 e 1979, desenvolvendo a rede viária em torno da albufeira da Barragem da Aguieira então em construção.

Ponte sobre

o rio Dão

Ponte do

Criz I Ponte do

Criz II

Ponte de

S. João das

Areias

Figura 1 – Mapa com localização relativa das quatro pontes em estudo.


2.1 Descrição das estruturas Atravessando diferentes linhas de água, as quatro pontes diferem sobretudo no número de vãos e na altura dos pilares. Na Figura 2 representa-se o alçado da Ponte de Foz Dão que será aqui objeto de uma análise mais detalhada (TRIEDE, 2011; A2P, 2011).

EEP1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

ED

ViseuCoimbra

Figura 2 – Alçado geral da Ponte sobre o Rio Dão (30 + 7x40 + 30m).

À semelhança do representado, todas as pontes apresentam os respetivos vãos estruturados em métricas de 30 m para os vãos extremos e 40 m para os vãos interiores. Por conseguinte, adotam um tabuleiro em betão armado pré-esforçado com secção transversal idêntica, cuja geometria a meio-vão está representada na Figura 3. Identifica-se uma laje vigada composta por quatro vigas longitudinais afastadas entre si de 4.0 metros, com altura (2.50 a 2.00 m) e largura (0.50 a 0.30 m) variáveis dos apoios até ao terço central do vão.

Também a tipologia e a secção transversal dos respetivos pilares é comum ao conjunto das obras. Estes 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 Figura 4. Refere-se a altura máxima do pilar P5 da Ponte sobre o rio Dão 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.

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

Figura 3 – Secção transversal tipo do tabuleiro a meio-vão do conjunto das obras.


4.55 1

��

1��0��

5.00

1.65

1.65

1.70

4.254.25

2.45 3.773.77

10.00

4.00

4.00

4.00

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0.50

14.00

3.000.30 0.303.008��

0.50

1.65 1.651.70

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1.60

15.20

12.001.60

3.77 3.772.45

10.00

5.00

2.00

VA

RIÁ

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L

3.0

0

1.0

0

4.25

8.00

4.25

3.0

0

2.0

01. 0

0

4.00

Figura 4 – Geometria e secção transversal tipo dos pilares do conjunto das obras.

2.2 Estado de conservação e reabilitação No decorrer de diversas inspeções efetuadas ao longo da última década, em todas estas obras foram sendo identificadas anomalias significativas. Estas anomalias estão, na generalidade, associadas 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, conforme patente na Figura 5 (PROFICO, 2013; A2P, 2010).

Figura 5 – Imagem subaquática e indicação da abertura das fendas na base de um dos pilares.


De forma a mitigar as situações mais prementes, ao longo dos últimos anos, estas pontes têm sido objeto de acompanhamento atento por intermédio de inspeções periódicas e têm sido realizadas intervenções de reparação e reforço, a diferentes níveis da estrutura, de forma regular. Refere-se, por exemplo, o reforço do tabuleiro com pré-esforço externo ilustrado na Figura 6.a), iniciado em 2005.

Neste momento, as quatro pontes encontram-se submetidas a um novo projeto de reabilitação mais abrangente que incide sobretudo na reparação e reforço dos pilares e das fundações, repondo níveis de durabilidade e segurança estrutural adequados. No caso da Ponte de Foz Dão, com problemas mais graves, pese embora ainda se mantenha em serviço, encontra-se em construção, a escassos metros, uma nova ponte de substituição (ver Figura 6.b)). Nas restantes pontes, entre outros trabalhos de natureza diversa, do atual projeto de reabilitação estrutural destaca-se a construção de maciços de encamisamento de betão armado pré-esforçado em torno da base dos pilares mais degradados, a substituição de algumas das fundações por estacas, a reparação dos defeitos estruturais por intermédio da aplicação de produtos de impregnação hidrofóbica, selagem e pintura geral (TRIEDE, 2011; A2P, 2011).

a) b)

Figura 6 – Imagens ilustrativas das obras de reabilitação executadas nas pontes: a) reforço, b) substituição.

3 Monitorização estrutural

O objetivo do presente programa de monitorização passa por acompanhar o comportamento da respetiva estrutura durante um período crítico onde decorrem um conjunto de trabalhos de reabilitação e construção na própria infraestrutura e na sua envolvente. Por esta via, procura-se a medição e disponibilização das grandezas mais relevantes por forma a auxiliar na avaliação das condições de segurança e na deteção de eventuais danos causados pelas intervenções.

As grandezas consideradas relevantes observar para atingir os objetivos em causa são, para além da temperatura, as rotações no topo dos pilares e os deslocamentos dos aparelhos de apoio em juntas de dilatação. A seleção destas grandezas resultou de um estudo técnico desenvolvido pelo dono da obra (EP), pelos projetistas da reabilitação (TRIEDE e A2P), pelos projetistas do sistema de monitorização (IC e NewMENSUS) e pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC).


Estima-se 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 possa identificar o estado de referência do comportamento da estrutura e posteriormente se consiga identificar, preventivamente, eventuais comportamentos anómalos (IC, NewMENSUS, 2013).

3.1 Instrumentação Materializando os objetivos supracitados, o plano de instrumentação, transversal às várias obras, inclui 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. Impera a necessidade de garantir a correta transdução das grandezas propostas e a fiabilidade do sistema durante o período espectável de funcionamento (2 anos).

3.1.1 Rotação dos pilares

De forma a captar rotações longitudinais e transversais, recorreu-se à instalação de inclinómetros elétricos biaxiais em todos os pilares das várias pontes. A Figura 7 representa o posicionamento dos sensores adotado no pilar tipo, remetendo para uma secção do topo do fuste que se prevê representativa do pilar (IC, NewMENSUS, 2013).

A fixação dos sensores à estrutura foi realizada com recurso ao suporte metálico ilustrado na Figura 8.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 Figura 8.b). O objetivo desta proteção é o de não permitir o contacto de objetos ou animais com o sensor, de modo a garantir a durabilidade e não interferir no seu bom funcionamento.

RO-Pi-Lo

RO-Pi-Tr

RO-Pi-Lo

RO-Pi-Tr

E

D

M JTr

Lo

Montante Jusante

Montante Jusante

Figura 7 – Posicionamento do inclinómetro biaxial no topo do pilar tipo.


a) b)

Figura 8 – Pormenores da instalação dos inclinómetros nos pilares: a) sensor e fixação na estrutura e b) caixa de proteção.

3.1.2 Movimento das juntas

Para a medição do movimento das juntas, localizadas sobre os encontros 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 Figura 9.a), encontrando-se rigidamente ligado aos dois componentes estruturais. O aspeto final da instalação, com a proteção ambiental, está patente na Figura 9.b).

3.1.3 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, em cada obra, 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 Figura 10. Para a medição das temperaturas foram utilizados detetores de temperatura resistivos do tipo PT100, perfazendo 10 sensores em cada obra.

a) b) Figura 9 – Pormenores da instalação dos transdutores de deslocamento nas juntas de dilatação: a) sensor e

fixação na estrutura e b) caixa de proteção.


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

Figura 10 – Posicionamento relativo dos sensores de temperatura distribuídos pelos pilares e pelo tabuleiro. 3.2 Aquisição e disponibilização dos resultados Na Figura 11 representa-se a arquitetura do sistema de recolha, processamento, armazenamento e disponibilização remota de dados, implementado em cada obra.

Conforme se representa, 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, que se considera sincronizado com a obra, centralizando a informação das várias obras. 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 específica.

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. 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 Figura 12.

PO

(rede de sensores na estrutura)

(Data Logger)

(utilizador final) (servidor externo) (router na obra)

rede de comunicação móvelwww.

Figura 11 – Arquitetura da rede de sensores e gestão de dados no servidor.


Figura 12 – Interface da aplicação web (SHMmensus) onde se disponibilizam os resultados sob diferentes

formatos.

4 Análise estrutural numérica

Auxiliando a definição e interpretação da monitorização estrutural, a Ponte de Foz Dão foi modelada numericamente para análise da sua resposta perante as principais ações expectáveis, rodoviárias e ambientais, bem como para compreensão de cenários de danos eventuais.

A estrutura principal, constituída pelo tabuleiro e respetivos pilares, foi discretizada em elementos finitos de viga, adotando uma formulação tridimensional (3D), conforme se ilustra na Figura 13. No que concerne à discretização do tabuleiro, os elementos finitos adotados, com três nós, seguem uma formulação baseada na teoria de Mindlin-Reissner. Para representação dos pilares foram adotados elementos finitos de viga, incorporando dois nós, baseados na teoria de Bernoulli.

Figura 13 – Vista do modelo numérico da Ponte de Foz Dão.


Todos os elementos da estrutura foram definidos a partir das coordenadas geométricas características do seu eixo longitudinal baricêntrico. Para o efeito, recorreu-se à informação geométrica obtida a partir dos desenhos finais do projeto executado e do levantamento geométrico complementar realizado no local.

Para fins meramente ilustrativos, a presente mostra de resultados incide particularmente no estudo da Ponte de Foz Dão. As principais conclusões são também extrapoláveis para as demais obras que também foram alvo de análise específica (RODRIGUES, 2013).

4.1 Comportamento estrutural perante as ações ambientais A par dos efeitos do tráfego rodoviário, verifica-se que as principais ações que interagem com a estrutura estão associadas aos efeitos ambientais, nomeadamente às variações de temperatura diárias e sazonais. Por conseguinte, analisou-se a resposta da estrutura perante variações uniformes e diferenciais de temperatura impostas ao nível do tabuleiro e ao nível dos pilares, isoladamente ou em combinação de ações (RODRIGUES, 2013).

Na Figura 14 ilustra-se a deformada da estrutura perante uma variação unitária uniforme de temperatura no tabuleiro (+1 °C). É visível o seu efeito sobre a rotação do topo dos pilares intermédios e sobre o deslocamento da junta de dilação do encontro com aparelho de apoio móvel. Note-se que o tabuleiro apoia nos pilares P1 e P2 por intermédio de apoios móveis e em todos os outros pilares por apoios fixos articulados.

Para a variação unitária imposta, a rotação máxima ocorre no pilar P3 e corresponde a um efeito de 4.6×10-3 °/°C, associado a um deslocamento de 3.3 mm/°C na junta móvel da esquerda (EE).

Também significativo se verifica ser o efeito da variação diferencial de temperatura atuante nos pilares. Na Figura 15 retrata-se esse efeito para uma variação diferencial unitária com componentes no plano da estrutura (longitudinal). Tal efeito pode resultar na realidade do maior aquecimento das faces viradas para uma das margens, tal como se verifica ao longo do dia devido à exposição solar. A transdução deste efeito na rotação do topo dos pilares conduz a um máximo de 4.1×10-3 °/°C no pilar P2.

Adiante neste artigo se associará esta análise aos resultados experimentais registados durante a monitorização da estrutura. A compreensão destes efeitos tem-se revelado importante para a conveniente interpretação dos resultados experimentais.

Figura 14 – Deformada da estrutura para uma variação uniforme de temperatura (unitária) aplicada no

tabuleiro.


Figura 15 – Deformada da estrutura para uma variação diferencial de temperatura (unitária) aplicada nos

pilares.

4.2 Análise de eventuais cenários de dano Complementado a análise numérica para as ações correntes, estende-se este estudo à previsão da resposta estrutural inerente a alterações na condição da estrutura. De forma a simular eventuais danos ligados com a deterioração da base dos pilares, esta análise recorre à imposição de rotações nos apoios, bem como à formação de rótulas internas.

De forma ilustrativa, nas Figuras 16 e 17, representam-se as deformadas da estrutura associadas a uma rotação unitária (1.0×10-3 °) imposta na base dos pilares P2 e P3, respetivamente. O seu efeito isolado traduz-se, com significado de relevo, no próprio pilar, conduzindo a rotações no topo, na posição equivalente aos inclinómetros, iguais a 1.0×10-3 ° e a 0.6×10-3 °, respetivamente. O seu efeito retratado é notoriamente distinto conforme a ligação do respetivo pilar ao tabuleiro. Refira-se que o pilar P2 tem um aparelho móvel na ligação ao tabuleiro, enquanto o pilar P3 tem uma ligação rotulada fixa.

Figura 16 – Deformada da estrutura para uma rotação imposta unitária na base do Pilar P2 com apoio móvel

junto ao tabuleiro.

Figura 17 – Deformada da estrutura para uma rotação imposta unitária na base do Pilar P3 com apoio fixo

junto ao tabuleiro.


5 Resultados da monitorização

Demonstrando o funcionamento do sistema de monitorização, mostram-se os principais resultados da monitorização estrutural que se tem vindo a processar desde o início de dezembro de 2013. 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 (Figura 18), deslocamentos associados ao movimento da junta de dilatação no encontro esquerdo (Figura 19) e as temperaturas medidas na secção intermédia do Pilar P6 (Figura 20) da Ponte de Foz Dão.

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)

Rota

ção (

10

−3 °

)

RO−P3−Lo RO−P3−Tr

Figura 18 – Evolução das rotações medidas no Pilar P3.

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)

Movim

ento

da junta

(m

m)

DJ−EE−M DJ−EE−J

Figura 19 – Evolução dos movimentos nas juntas medidos no Encontro Esquerdo.

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)

Te

mp

era

tura

(°C

)

T−P6−ME T−P6−MD T−P6−JE T−P6−JD

Figura 20 – Evolução das temperaturas medidas no Pilar P6.


Cobrindo cerca de ano e meio de registos praticamente contínuos, é já possível aferir algumas tendências comportamentais da estrutura. Desde o início que é percetível que a resposta da estrutura está fortemente associada às variações da temperatura.

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.

No conjunto, substanciando a análise numérica anterior, 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 demonstram. 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.

6 Alerta e vigilância

Complementando a análise da evolução das grandezas ilustrada na Secção 5, 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],,,|[

Para construção inicial do modelo reportado, considerou-se um intervalo de tempo inicial de aproximadamente dois meses 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 Figura 21 ilustra-se o resultado da aplicação do modelo de regressão linear sobre uma das rotações medidas (RO-P3-Lo). Com base no gráfico, refere-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.

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

−60

−40

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0

20

40

60

Data (aaaa/mm)

Ro

taçã

o (

10

−3 °

)

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

Figura 21 – 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. Espera-se que um eventual aumento deste indicador, que se associa a uma incapacidade do modelo estatístico prever a resposta da estrutura, possa revelar alterações no comportamento da estrutura. Por este motivo, este indicador constitui também a base dos níveis de alerta amarelo e vermelho implementados.

Conforme consta no protocolo de apoio, para cada grandeza medida, dentro de cada obra, preconiza-se a existência de dois níveis de alarme correspondentes às situações de alerta amarelo e vermelho (EP, 2013). A Figura 22 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 (Figura 22.a)) ou nos gráficos individuais de cada parâmetro medido (Figura 22.b)). A obtenção de estados anormais está ainda associada ao envio automático de mensagens de alerta para as entidades envolvidas.

a) b) Figura 22 – Indicadores relativos aos estados de alerta disponibilizados na aplicação web.


Os respetivos limites de alerta estão a ser acompanhados pelas equipas projetistas (TRIEDE, 2014). Estima-se que o alerta amarelo represente um desvio ligeiro do comportamento da estrutura relativamente ao estado de referência. A evolução do comportamento da estrutura após a sua ocorrência deverá pois ser acompanhada com grau crescente de atenção e criticismo. Já o alerta vermelho deve refletir, em princípio, alterações significativas no comportamento da estrutura. Este deve implicar 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, compete ao dono de obra tomar medidas adequadas que levem à minimização dos riscos resultantes (EP, 2013).

7 Considerações finais

Neste trabalho, apresentou-se a monitorização estrutural desenvolvida na Ponte de Foz Dão, assim como em mais três pontes análogas, com problemas estruturais conhecidos, presentemente submetidas a obras de reabilitação. O sistema de monitorização implementado tem por objetivo principal acompanhar o comportamento da estrutura durante as intervenções de substituição e reabilitação a que está sujeita, procurando aferir o cumprimento de níveis de desempenho e segurança adequados ou alertando precocemente para a sua violação.

Focado no objetivo proposto, com recurso a instrumentação específica, são medidas as rotações no topo de todos os pilares por via de inclinómetros elétricos, os deslocamentos nas juntas de dilatação dos encontros móveis através de LVDTs, bem como temperaturas em diferentes pontos da estrutura e no meio ambiente. A instalação dos respetivos sensores e equipamentos de leitura rege-se por requisitos e especificações rigorosas de forma a que seja possível garantir a robustez e a fiabilidade necessária para um sistema com esta importância.

Uma aplicação web especificamente desenhada para o efeito permite a consulta interativa e imediata dos resultados remotamente. Mostraram-se aqui também alguns resultados reveladores do funcionamento dos sistemas de monitorização implementados. Tanto os resultados experimentais como os resultados numéricos têm permitido validar o comportamento efetivo das estruturas em análise. Nesse contexto, regista-se a importância da análise da resposta estrutural perante as variações de temperatura.

Complementarmente, foram desenvolvidos modelos estatísticos que visam a compensação dos efeitos ambientais sobre a estrutura. Analisando o resíduo destes modelos, espera-se conseguir detetar alterações no comportamento estrutural e alertar para a ocorrência de eventuais danos. Para cada grandeza medida, preconiza-se a existência de dois níveis de alarme correspondentes às situações de alerta amarelo e vermelho.


8 Bibliografia

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monitorização e vigilância estrutural de pontes de betão...

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