II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, 24-27 de julho de 2007V Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas ISSN 1981-6251, p. 1096-1099

O USO DE ESTAÇÕES TOTAIS ROBOTIZADAS NO MONITORAMENTO DINÂMICO DE PONTES

DANIEL RODRIGUES PALAZZO1

CARLOS AURÉLIO NADAL1

MAURO LACERDA SANTO FILHO2

Universidade Federal do Paraná - UFPR 1 Setor de Ciências da Terra, Departamento de Geomática2 Setor de Tecnologia, Departamento de Construção Civil

drpalazzo@gmail.com

ABSTRACT - In recent years, some researches have revealed the advantages of using a robotic total station (RTS) for dynamic monitoring of structures. The advantages include the automatic target recognition, autonomous operation, once lock to the target has been manually set by an operator, monitoring of moving objects, the possibility of measuring indoors. However, the use of robotic total station for monitoring the movement of civil structures is still limited to the fact that angles and lengths are measured with time slide that the size is not known yet. This paper reports sets of experiments performed at LAIG (Geodetic Instrumentation Laboratory) of UFPR (Federal University of Paraná) and at the UFPR campus. These experiments were conducted to gauge the accuracy of a RTS for monitoring of a moving target. Furthermore, the robotic total station was conducted to a field experiment. A historical bridge was monitored using the RTS for dynamic monitoring of the structure.

1 INTRODUÇÃO

A procura por técnicas e equipamentos de menor custo, que subsidiem as tomadas de decisão na análise da segurança e da servicibilidade de pontes, tem se tornado cada vez maior.

Ensaios dinâmicos, apesar de apresentarem um custo maior, são considerados os mais completos, pois são capazes de retratar uma estrutura globalmente.

Recentes desenvolvimentos da indústria de equipamentos geodésicos e topográficos, permitiram que estações totais consigam realizar medições de ângulos e distâncias de alvos em movimento, assim como armazenar os dados coletados automaticamente durante as medições. Esta inovação permite que, as denominadas estações totais robotizadas (ETR), possam ser utilizadas no monitoramento dinâmico de estruturas (Cosser et al., 2003). Contudo, o uso de estações totais robotizadas no monitoramento dinâmico de estruturas continua limitado pelo fato das medições de ângulos e distâncias serem realizadas em tempos diferentes, sendo esse intervalo de tempo ainda desconhecido.

O que se pretende com este trabalho é apresentar os resultados dos ensaios realizados no LAIG – UFPR e no campus da universidade, de forma a se verificar a precisão e acurácia de uma ETR no monitoramento dinâmico de alvos em movimento. Além disso, serão apresentados os resultados preliminares de um ensaio realizado em uma ponte histórica localizada na BR-116, na divisa de Santa Catarina com o Rio Grande do Sul.

2 ENASAIOS NA UFPR

Nos ensaios realizados na UFPR, foram utilizadas duas estações totais: uma TC2002 e uma TCRA1205, ambas da Leica. A TC2002 é uma estação total não robotizada e foi empregada com o intuito de fornecer dados estáticos comparativos para determinados valores, obtidos de forma dinâmica, com a estação total robotizada TCRA1205.

O Quadro 1 aponta a precisão das duas estações totais mencionadas .

Medidas TCRA1205 TC2002

Modo Estático

Distância 2mm + 2ppm 1mm + 1ppm

Ângulo 5” 0,5”± 0,1”

Modo Dinâmico

Distância 5mm + 2ppm -------

Ângulo 5” -------Quadro1 – Precisão da TC2002 e da TCRA1205.

Um equipamento, denominado Oscilador 2D, foi desenvolvido, de forma a simular movimentos periódicos, como se fossem os deslocamentos de uma estrutura ao longo do tempo, porém, para facilitar a realização dos ensaios e a análise dos resultados, esse movimento foi limitado a uma única direção: a vertical.

D. R. Palazzo;C. A. Nadal; M. L. Santos Filho

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2.1 Ensaios no LAIG

O primeiro ensaio realizado com a ETR teve como objetivo a comparação da precisão das medidas obtidas, com a precisão fornecida pelo fabricante. Além disso, procurou-se compreender qual a influência, nos resultados das medições, das diferentes taxas de aquisição.

Figura 1 – Oscilador 2D e TCRA1205

Um prisma circular foi fixado no Oscilador 2D, e seu movimento de subida e descida foi monitorado por 240s seguidos em duas seções diferentes: uma com a ETR realizando a gravação das medições a cada 2s (taxa de gravação de 0,5Hz); e a outra com medições sendo gravadas a cada 0,5s (taxa de gravação de 2,0Hz). A amplitude de deslocamento do prisma foi fixada em 0,6m e a distância entre a ETR e o prisma foi fixada em 3,45m, em função das limitações físicas do laboratório.

Dois pontos no Oscilador 2D foram estabelecidos, com medição de ângulos e distâncias determinadas pela TC2002 (modo estático), para controle da precisão dos resultados obtidos com a TCRA1205 (modo dinâmico).

A precisão no resultado das medições (ângulos e distâncias inclinadas) ficaram dentro dos valores indicados pelo fabricante, mediante a comparação dos valores obtidos pela TCRA1205 com os obtidos com a TC2002. Os desvios máximos observados são: 2,2mm para as distâncias e 5” para os ângulos.

A Figura 2 mostra uma comparação entre as distâncias inclinadas medidas com diferentes taxas de aquisição de dados. Pode-se verificar que com taxas gravação dos dados maiores (2,0Hz) há uma melhora na qualidade dos resultados, porque há um aumento na quantidade de medições gravadas. Praticamente não se perdem dados durante a trajetória do alvo. Isto se deve à baixa velocidade de deslocamento do alvo e à curta distância entre a ETR e o prisma.

2.2 Ensaios no Campus da UFPR

Nos ensaios realizados no campus da universidade foram investigados os resultados de medições realizadas

variando-se a taxa de coleta de dados, juntamente com a variação da distância entre o alvo e a estação total robotizada, além de se utilizar dois tipos de alvos em cada um dos ensaios.

Figura 2 – Distâncias inclinadas medidas com diferentes taxas de coleta de dados.

Dezoito ensaios foram realizados no total, sendo que em cada ensaio mudava-se o tipo de prisma (standard ou 3600), a taxa de gravação (1Hz, 2Hz ou 10Hz), além da distância entre o prisma e a ETR (40m, 100m e 146m).

A amplitude de deslocamento do prisma, em todos os ensaios, foi fixada em 290mm.

Assim como nos ensaios realizados no LAIG, a precisão no resultado das medições (ângulos e distâncias inclinadas) ficaram dentro dos valores indicados pelo fabricante. Porém os valores das amplitudes apresentaram diferenças, para cima, em relação ao valor fixado no início dos ensaios.

As diferenças observadas são influenciadas diretamente pela distância entre a ETR e o alvo. Quanto maior a distância maiores são as diferenças entre a amplitudes fixada e as medidas. Este fato pode ser observado tanto em medidas realizadas com prisma standard, quanto com o prisma 3600.

Como exemplo do exposto anteriormente, no Quadro 2 encontram-se os resultados das diferenças de amplitude verificadas nos ensaios realizados com o prisma de 3600 e a taxa de gravação fixada em 10Hz. Variou-se, neste caso, apenas a distância estre a estação total e o prisma.

Distâncias AmplitudeTCRA1205

AmplitudeTC2002

Diferenças de

Amplitude

40m 306 293 13mm

100m 331 295 36mm

146m 344 297 47mmQuadro2 – Diferenças de amplitudes

D. R. Palazzo;C. A. Nadal; M. L. Santos Filho

3,450

3,460

3,470

3,480

3,490

3,500

3,510

3,520

3,530

0,0 25,0 50,0 75,0 100,0 125,0 150,0 175,0 200,0 225,0

Tempo de Medição (s)

Dist

ânci

as In

clin

adas

(m)

0,5 s 2,0 s Maior Valor Medido Menor Valor Medido Distância Média

II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, 24-27 de julho de 2007V Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas

As diferenças encontradas são decorrentes, basicamente, de três fatores: a latência e a correção do ATR (automatic target recognition) e ao erro devido à curvatura da Terra e à refração.

O erro devido à curvatura da Terra e à refração atmosférica para 146m é igual a 1,5mm, o qual pode ser obtido de acordo com GOMES (2006).

A correção do ATR, presente em alguns modelos da Leica, faz com que os fios do retículo da luneta sejam sempre apontados para o “centro” do prisma, quando este se encontra em movimento. A acurácia desse sistema, segundo o fabricante, é menor que 2,0mm.

A composição dos efeitos, erro devido à curvatura da Terra e refração atmosférica e a correção do ATR, produziram erros que chegam, para a distância de 146m entre a ETR e o prisma, a 3,5 mm. A diferença restante das amplitudes observadas se deve ao fenômeno da latência, explicado pela primeira vez, neste tipo de equipamento, por Radovanovic e Teskey (2001).

Segundo esses pesquisadores, os sistemas de medição de ângulos e de distâncias funcionam separadamente e as medições são realizadas em tempos diferentes.

Quando a estação total robotizada está acompanhando o movimento de um alvo, o ângulo fornecido corresponde ao tempo “t2” em que sua a medição foi realizada, porém a distância gravada corresponde ao tempo “t1”, anterior ao tempo “t2” (Figura 3). Quanto maior a velocidade de deslocamento do alvo, maior será a defasagem nas leituras dos ângulos e da distância.

Pôde-se observar também nos ensaios que a taxa de gravação das medições não é constante.

Figura 3 – Demonstração geométrica do problema da latênciaNota: Adaptado de Radovanovic e Teskey (2001).

2.3 Ensaios preliminares na ponte sobre o Rio Pelotas

Ensaios preliminares foram realizados em uma ponte localizada na BR-116, na divisa de Santa Catarina com o Rio Grande do Sul. A ponte sobre o Rio Pelotas (Figura 4), construída em 1966, é uma ponte histórica que, segundo VASCONCELOS (1993), na época foi o

maior vão do Brasil e o 2º do mundo, com 189 m de vão livre. O 1º era o da ponte sobre o Reno em Bendorf, construída em 1965, com 208 m de vão.

Figura 4 – Ponte sobre o Rio Pelotas

Simplificadamente, o sistema estrutural da ponte foi concebido por uma viga protendida, construída sobre quatro apoios, com uma rótula ao meio do vão central, que somente transmite o esforço cortante.

A ponte mede 250m de comprimento e 11,4m de largura, tendo um vão livre de 189m entre os pilares centrais.

Os ensaios na ponte sobre o Rio Pelotas foram realizados de forma a testar a estação total robotizada no monitoramento dinâmico de uma estrutura de alta frequência de deslocamento.

A Figura 5 mostra a localização da ETR, que foi fixada sobre um pilar de centragem forçada em concreto armado, posicionado a aproximadamente 180m de distância dos pontos de monitoramento P1 e P2.

Figura 5 – Ponte sobre o Rio Pelotas e os pontos de monitoramento.

Nos pontos P1 e P2, dispostos no meio do vão da ponte e sobre os guarda-corpos direito e esquerdo, foram fixados prismas do tipo standard da Leica.

A TCRA1205 foi ajustada para gravar as medições, provenientes do tráfego local, a cada 0,1s (taxa de gravação de 10Hz). Assim como no ensaio no campus da UFPR a taxa de gravação não se manteve constante, variando por volta de 7Hz.

A Tabela 1 mostra os valores dos desvios padrão das coordenadas dos pontos de monitoramento, em relação aos eixos principais da ponte, e a Tabela 2 mostra

D. R. Palazzo;C. A. Nadal; M. L. Santos Filho

ETR

t2

t1

TRAJE

TÓRIA

DO ALV

O

Latênciad

d

d

t2

t1

θα

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os valores das amplitudes máximas observadas nos mesmos eixos.

O maior desvio padrão observado encontra-se próximo do valor da precisão do equipamento.

Tabela 1 – Desvios padrão das coordenadas dos pontos P1 e P2

PrismaDesvio Padrão (mm)

N E Z

P1 0,5 1,0 5,4

P2 2,6 1,2 6,2

Tabela 2 – Amplitude Máxima dos Deslocamentos

PrismaAmplitudes (mm)

N E Z

P1 3,0 5,0 18,0

P2 13,0 11,0 26,0

As diferentes magnitudes das amplitudes dos deslocamentos observados na Tabela 2, podem ser explicadas pela diferente ação do tráfego local. No primeiro caso, deslocamentos observados no ponto P1, o tráfego, basicamente, era composto por automóveis e no P2, por caminhões. Desta forma, as amplitudes no ponto P1, onde foram realizadas as primeiras medições, são diferentes do ponto P2.

3 CONCLUSÕES

O objetivo deste trabalho foi atingido, de forma que com os ensaios realizados pôde-se compreender melhor o desempenho da ETR disponível no laboratório da UFPR. Além disso, em todos os experimentos a precisão das observações ficou abaixo ou próxima da precisão descrita pelo fabricante.

Nos ensaios realizados no laboratório pôde-se verificar que, com baixa velocidade de deslocamento do alvo, a estação total forneceu resultados adequados quando comparados à pontos de monitoramento medidos previamente. Pôde-se ainda observar que, a curtas distâncias, a taxa de gravação mais alta fornece resultados qualitativamente melhores.

No campus da universidade, os ensaios mostraram que tanto o prisma de 3600 quanto o prisma standard podem ser utilizados no monitoramento dinâmico. Além disso, a influência da distância entre a ETR e os prismas ficou nítida, pois à medida que a distância aumentava, aumentavam também as amplitudes observadas.

Os ensaios realizados na ponte mostraram a potencialidade da ETR no monitoramento dinâmico de estruturas com alta frequência de deslocamentos.

Mais ensaios estão sendo realizados, de forma a confirmar a viabilidade técnica da utilização de estações totais robotizadas no monitoramento dinâmico de estruturas. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos alunos de graduação do curso de Engenharia Cartográfica da UFPR: Daniel Perozzo, Érica e Niarkios Graça; e ao aluno de pós-graduação Ernesto Shibayama pela ajuda despendida nos ensaios e processamentos.

À Rodosul do Grupo J. Malucelli pela viabilização financeira deste trabalho.

REFERÊNCIAS

COSSER, E.; ROBERTS, G. W.; MENG, X.; DODSON, A. Measuring The Dynamic Monitoring of Bridges Using a Total Station. In: 11th Symposium On Deformation Measurements, Santorini. Proceedings… Greece: FIG, 2003. Disponível em: < http://www.fig.net/commission6/ santorini/I-Monitoring%20Static%20and%20Dyn/I9.pdf> Acesso:10 novembro 2005.

FAÉ, C. L. Desabamento de ponte no Paraná levanta a discussão sobre o estado atual das obras-de-arte no Brasil e a falta de manutenção preventiva. Téchne, São Paulo, n. 98, maio 2005. Disponível em: <http://www.piniweb.com/revistas/techne/index.asp? mate6_cod= 17689> . Acesso:15 setembro 2005.

GOMES, J. P. Determinação de disníveis de precisão utilizando estação total. Curitiba, 2006. 106f. Dissertação (Mestrado em Ciências Geodésicas) – Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná.

RADOVANOVIC, R. S.; TESKEY, W. F. Dynamic Monitoring of Deforming Structures: GPS Versus Robotic Tacheometry Systems. In: 10th Fig International Symposium On Deformation Measurements, Orange. Proceedings… USA: FIG, 2001, p. 61-70.

VASCONCELOS, A. C. Pontes brasileiras: viadutos e passarelas notáveis. São Paulo: PINI, 1993. 614 p.

D. R. Palazzo;C. A. Nadal; M. L. Santos Filho