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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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoi. Análise estrutural
ENC.OESTE P2P1
P4 P5
P3
CORUJEIRAFLORESPRAÇA DA
ESTE
PRAÇA DAS
ENC.
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoii. Concepção e especificação do sistema
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoiii. Desenvolvimento de soluções de monitorização
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoiii. Desenvolvimento de soluções de monitorização
Novo transdutor de deformação para embeber no betão
• Comportamento idêntico em toda a instrumentação (in terna + externa)
• Desvio observado inferior a 2 %
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimento
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.
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimento
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)
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
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II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentoiv. Implementação em obra: instalação e operacionalização
de equipamentos
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
II – Sistemas de Monitorização: Fases de desenvolvimentov. Disponibilização de resultados: consulta on-line/relatórios
Informação das secções instrumentadas
Visualização gráfica dos registos, relatórios
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
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III – Casos de obra: Travessia do Rio Tejo no Carregado
Ponte da Lezíria
Viaduto Norte
Viaduto Sul
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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
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
Rede de sensores e de unidades distribuídas de aqui sição
III – Casos de obra: Ponte da Lezíria sobre o Rio Tejo
Rede de comunicação
Sistema de vigilância permanente: Geração de alerta s sempre que determinada grandeza ultrapassa um limit e pré-definido
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III – Casos de obra: Ponte da Lezíria sobre o Rio Tejo
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
IV – Ponte da Lezíria: Monitorização estruturalFlecha a meio do vão central – amostra de 1 mês
Temperatura – amostra de 1 mês
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
IV – Ponte da Lezíria: Monitorização estruturalFlecha a meio do vão central – amostra de 1 semana
Temperatura – amostra de 1 semana
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IV – Ponte da Lezíria: Monitorização estruturalLinhas de influência de extensões – passagem de veíc ulo a 85km/h
Scan rate: 100Hz
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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
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Cátodo Ânodos
Sensor de Eléctrodo de
SENSOR 3 SENSOR 2
Superfície de betão Cabos de ligação
SENSOR 1 A1
A2
A3
III – Ponte da Lezíria: Monitorização da durabilidade
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
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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
III – Ponte da Lezíria: Monitorização da durabilidade
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
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CARREGADO BENAVENTE
KC-T-V2N-P11P12-2I KC-T-V2N-P11P12-5IKC-T-V2N-P11P12-1I
KC-T-V2N-P11P12-1S
III – Ponte da Lezíria: Monitorização da durabilidade
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)
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
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CARREGADO BENAVENTE
KC-T-V2N-P11P12-2I KC-T-V2N-P11P12-5IKC-T-V2N-P11P12-1I
KC-T-V2N-P11P12-1S
III – Ponte da Lezíria: Monitorização da durabilidade
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)
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CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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)
STRUCTURAL HEALTH MONITORING ON THE
CONSERVATION OF THE PORTUGUESE CONCRETE HERITAGE
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