COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 174250

Monitoramento de saúde estrutural (SHM)

Luiz Eduardo Lopes

Palestra apresentada na SEMANA DE ENGENHARIA MACKENZIE, 2016., São Paulo. Palestra. 44 slides.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM)

Semana de Engenharia Mackenzie

Prof. Dr. Luiz Eduardo Lopes

12/09/2016

Estruturas - Exemplos

Apesar da engenharia ser a arte de rearranjar os

materiais e forças da natureza para benefício da

sociedade, as leis imutáveis da natureza sempre

restringirão o engenheiro aqueles rearranjos que

podem ou não ser feitos.

Engenharia

Elétrica Engenharia

Eletrônica

Engenharia

Civil

Engenharia

Mecânica

Uma ideia que unifica todas as engenharias é o

Conceito de Falha (falta de sucesso)

As invenções são bem sucedidas na medida em que

seus criadores conseguem vislumbrar como os

componentes podem falhar no desempenho conforme

desejado.

Quase todos os cálculos que fazemos

na engenharia são cálculos de falha

Os critérios de falha orientam o projeto desde a sua concepção.

Os engenheiros são capazes de formular e calcular

detalhadamente forças e deformações, fluxos, correntes e

voltagens que são necessários para testar um projeto no papel

com respeito aos critérios de falha estabelecidos.

A habilidade de calcular permite prever o desempenho de um

projeto antes que ele seja construído e testado.

Um projeto sem falhas não significa somente

aquele onde a estrutura projetada não entra em

colapso mas sim aquele onde a estrutura

permanece saudável ao longo de sua vida. Por exemplo, sem sinais de corrosão rápida ou trincas

por fadiga após alguns anos de uso.

Quais inovações levam a um projeto bem sucedido

e quais levam ao fracasso não é completamente

previsível. Cada oportunidade para projetar algo

novo, seja uma ponte, um edifício, um avião ou um

computador apresenta ao engenheiro uma

infinidade de escolhas.

O engenheiro pode copiar muitas

características boas de outros projetos bem

sucedidos frente às forças do homem e da

natureza ou tentar melhorar os aspectos que

considera inadequados.

Uma ponte de muitos anos de vida que desenvolveu trincas

inócuas em certas regiões pode servir de base para um

projeto melhorado de ponte com as mesmas características

de dimensões e tráfego. Por outro lado um projeto que não

apresentou problemas ao longo dos anos ou décadas pode

orientar ao engenheiro na busca de soluções mais leves e

mais baratas para construir já que o projeto parece

superdimensionado

FALHAS ESTRUTURAIS

TERMOS ASSOCIADOS

DANO

EVENTO QUE CAUSA PERDA DE VALOR

PODE LEVAR À FALHA

FALHA

EVENTO QUE CAUSA FRACASSO DO

COMPONENTE OU SISTEMA EM CUMPRIR

OS OBJETIVOS ESTABELECIDOS NO

PROJETO

A detecção de dano no estágio inicial pode salvar

vidas e dinheiro. Tradicionalmente a detecção de dano é realizada por meio de manutenções

periódicas e inspeção visual , por pessoal qualificado, após ocorrido o dano.

Inspeções visuais impõem altos custos e

inconveniência para os proprietários e usuários.

Para inspeção visual pode ser necessária a remoção

de componentes não estruturais seja na área civil ou

mecânica. Além disso o pessoal qualificado para tal inspeção pode não estar disponível

imediatamente após o evento de dano, prolongando o tempo de parada da

estrutura.

Projeto Tolerante ao Dano

Para a redução de peso o conceito de “Projeto Tolerante ao Dano” tem sido

utilizado pela industria aeroespacial.

O conceito é baseado na ideia de que um certo número de defeitos

pode ser tolerado num componente estrutural antes que ele tenha que

ser reparado ou trocado.

Para garantir a integridade estrutural de tal componente deve-se fazer

inspeções não destrutivas continuamente o que leva a tempos grandes

de parada das aeronaves.

Se tal sistema de inspeção não destrutiva pudesse ser permanentemente aplicado à

estruturas de interesse e operados em tempo real, especialmente em areas distribuidas

e de difícil acesso, haveria uma redução acentuada nos tempos de parada e

consequentemente nos custos de manutenção

XYZ

Ensaios Não Destrutivos (END) são técnicas utilizadas na

inspeção de materiais e equipamentos sem danificá-los,

sendo executadas nas etapas de fabricação, construção,

montagem e manutenção

As principais técnicas de Ensaios Não Destrutivos (END) são:

• Correntes Parasitas

• Emissão Acústica

• Radiografia, Radioscopia e Gamagrafia

• Ensaio Visual

• Estanqueidade

• Líquido Penetrante

• Partículas Magnéticas

• Ultrassom

• Termografia

MONITORAMENTO DE SAÚDE ESTRUTURAL- SHM

É O PROCESSO DE IMPLEMENTAÇÃO DE UMA

ESTRATÉGIA DE DETECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO

DE DANO EM ESTRUTURAS

O objetivo do SHM é melhorar a segurança e a confiabilidade de

sistemas estruturais por meio da detecção do dano antes que ele atinja

um estado crítico e que permita uma rápida avaliação após o evento

Geofísica

•Mecânica dos solos

•Vulcões

•Terremotos

Aeroespacial

•Aviões civis e

militares

•Veículos espaciais

•Helicópteros

Engenharia Civil

•Prédios

•Pontes

•Represas

•Túneis

•Mineração

Transporte

•Automotivo

•Trem

•Navios

Energia

•Instalações e

dutos de óleo e

gás

•Turbinas Eólicas

•Centrais

Nucleares

Plantas Químicas

•Tubulações

•Tanques

Defesa

•Transporte e

armazenamento

de munição

Aplicações de SHM

Nossos corpos normalmente

nos permitem saber quando

eles requerem algum tipo de

cuidado ou tratamento

Podem as estruturas feitas pelo

homem fazer o mesmo?

Quando o óleo do motor de um automóvel é trocado a cada 5.000 km, apesar

do óleo ainda ser utilizável, obriga o proprietário a pagar por mais trocas do que

o necessário durante a vida do automóvel, sem mencionar o desnecessário

impacto ambiental. O custo das trocas de óleo desnecessárias pode não ser

um problema mas aposentar grandes estruturas antes do tempo pode custar

muito mais.

Podemos economizar, ganhar eficiência e melhorar a

segurança para a sociedade com a mudança da nossa

cultura de manutenção com base no tempo para

manutenção com base em condições da estrutura ou do

sistema.

Uma estratégia bem sucedida de SHM pode permitir uma

redução significativa no custo de posse (ownership cost),

minimização do tempo de parada não programada e/ou

permitir uma vantagem significativa na segurança durante a

vida por meio da remediação de falhas catastróficas

Manutenção

programada

(baseada no

tempo)

Manutenção

baseada em

condições da

estrutura

Um dos Objetivos Principais

DE PARA

Fenômeno Físico Monitorado

(associado ao dano)

Sistema de Monitoramento de

Integridade

(definido por um fenômeno

físico medido e tratamento de

dados adaptado

Dano

Estrutura

Monitorada

Variáveis físicas que podem ser monitoradas para

o SHM

Deflexões

Deformações/ Tensões

Rotações

Temperaturas

Acelerações

Corrosão

Pré Cargas

Processo de implantação de SHM 1. Avaliação da Operação do Sistema/ Estrutura

Justificativa econômica de de segurança

Identificação dos tipos de danos e os mais críticos

Condições operacionais e ambientais

2. Sistema de Aquisição de Dados

Método de Excitação

Tipos de Sensores

Quantidade e Localização dos Sensores

Equipamento de Aquisição/Armazenamento/Transmissão de Dados

Frequência de Aquisição

Técnicas de Filtragem e Processamento de Sinais

Dados de Danos e Ambientais/Operacionais

Qualidade

3.Tratamento dos Dados

Correlação da Medida da Resposta com o Tipo de Dano

Desenvolvimento do Modelo Estatístico

O Processo Multidisciplinar de SHM

Componentes do SHM

Estrutura

Sensores

Sistema de Aquisição de dados

Gerenciamento de Dados

Transferência de Dados

Interpretação de Dados e Diagnóstico

Normalização dos dados coletados

Separação das mudanças de leitura dos sensores

causadas por dano daquelas causadas por

condições variáveis de operação e ambientais

Extração de Características

A extração de características fornece os critérios

técnicos para distinguir entre itens danificados e não

danificados da estrutura

Desenvolvimento do Modelo Estatístico

O desenvolvimento do modelo estatístico é utilizado para

determinar estruturas danificadas e não danificadas

Sensores

Sensores medem a quantidade física de dano e enviam

os dados para o computador/sistema de aquisição

Sensores adequados:

São sensíveis às propriedades medidas

São insensíveis à quaisquer outras propriedades

que podem ser encontradas nas suas aplicações

Não influenciam a propriedade medida

Sistema de Aquisição de Dados

Aquisição de Dados é o processo de amostragem dos

sinais que converte a amostra em valores numéricos

digitais.

Incluem:

Sensores

Circuito de Condicionamento de Sinal

Conversores Analógicos/Digitais (A/D)

Monitoramento da Saúde Estrutural de uma Ponte

Sensores

Monitoramento da Saúde Estrutural de um Avião

Monitoramento da Saúde Estrutural (Delaminação) de

uma Asa de Avião

Monitoramento da Saúde Estrutural (Estruturas Civis)

Monitoramento da Saúde Estrutural de um Oleoduto

Monitoramento da Saúde Estrutural de Infraestrutura de Ferrovia

Monitoramento Tradicional com Strain-Gauges por Fiação

Sensor de deformação convencional (strain-gauge) elétrico

necessita normalmente de 3 fios por ponto monitorado

Fiação para 400 pontos

monitorados por strain-gauges

Sensor Piezo elétrico Aplicação: Monitorar a deformação e deflexão de

estruturas

Identificar, localizar e quantificar o

desempenho estrutural do sistema pela

vibração e resposta em frequência de uma

rede de sensores piezo elétricos

Sensor Ultrassônico

Esta técnica se baseia nas ondas transversais (shear) geradas por

uma sonda (normalmente um transdutor piezo elétrico) num

determinado ponto da estrutura e monitorada por outra em local

diferente. As áreas danificadas afetam a propagação da onda

ultrasônica na estrutura, permitindo sua identificação

Sensor de Fibra Óptica

SHM de Auto Reparo - Sensores Piezoelétricos + Ionomeros

Sensores de Nanotubos de Carbono

Película (skin) espacial sensora de nanotubo de carbono: utilizando

nanotubo de carbono fixado à estrutura formando uma película contínua e

condutiva

Colheita de Energia

Fontes de Energia para

Sensores sem Fio:

solar, térmica, vento e cinética

Vantagens:

Sensores independentes e

autoalimentados

Menor infraestrutura de cabos

de potência

Menor consumo de energia

Geradores Piezoelétricos instalados

abaixo da superfície da estrada.

Energia elétrica gerada pela vibração

Caminhos do SHM

1. Pode ser utilizado em qualquer estrutura que nos interessa manter

2. Com maior desenvolvimento dos MEMS- Sistemas microelétrico

mecânicos, SHM pode ser aplicado em pequenos dispositivos

3. Uso no dia a dia:

Pneu auto reparável

Pneu auto calibrável

Proteção superficial auto reparável

Monitoramento de tensões, carga e fadiga em mobiliário

4. Novos protocolos de comunicação para reduzir o consumo de energia

Custo do SHM de uma Ponte

Local: Minneapolis, USA

Ano: 2008

Custo da Estrutura: US$ 234 milhões

Custo do SHM: US$ 1 milhão

Número de Sensores: 500

Custo por Sensor: US$ 2.000

Tecnologia: Sem fio

SHM deve reduzir de 15 a 25% dos

custos de manutenção de longo prazo

Conclusões

1. Aumento do mercado e produção em massa vai reduzir os custos

MEMS- sensores e atuadores -12% /ano

Rede de Sensores sem fio- 13% /ano

Colheita de Energia- 50% /ano

2. Outros fatores de redução de custo

Menor mão de obra e custos de engenharia devido a redes sem

fio e melhores sistemas de monitoramento

Sensores menores, melhor desempenho, menor custo e menor

consumo de energia

Internet das coisas

3. Aplicação de tecnologias SHM depende da localização geográfica

Colheita de energia solar precisa de ambiente ensolarado

4. A tecnologia SHM se tornará mais efetiva com a evolução do conceito

de “auto”, colheita de energia e novos materiais

Fontes Adicionais de Informações

Balageas, Daniel, Structural Health monitoring , 1st Edition,

ISTE, 2006, ISBN-13: 978-1-905209-01-9

Farrar, Charles R., Structural Health Monitoring: A Machine

Learning Perspective 1st Edition, Wiley, 2007, ISBN-13: 978-

1119994336

Armor, University of California, San Diego

“Sensors, Sensors Everywhere”, Los Alamos Science and

Technology Magazine, July 2013