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ANAIS DO 55º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2013 – 55CBC 1

Transdutores de deformação em fibra ótica para embeber em estruturas de betão

Fiber optic deformation transducers for embedding into concrete structures

Carlos Rodrigues (1); Carlos Félix (2); Joaquim Figueiras (3)

(1) Professor Adjunto Convidado, Instituto Superior de Engenharia do Porto. LABEST. Portugal.

(2) Professor Coordenador, Instituto Superior de Engenharia do Porto. LABEST. Portugal. (3) Professor Catedrático. NewMENSUS, Lda. LABEST, Faculdade de Engenharia da Universidade do

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

Resumo

A monitorização estrutural baseia-se na medição de um conjunto de grandezas representativas do comportamento de uma determinada estrutura com vista à avaliação efetiva do seu desempenho e à deteção prematura de eventuais danos. Nesta perspetiva, a identificação das grandezas mais importantes a medir, bem como a seleção dos respetivos instrumentos de medida são aspetos vitais a ter em conta na correta definição do sistema de monitorização. Neste âmbito, considera-se que a deformação está entre as grandezas mais representativas do comportamento de uma estrutura. A monitorização desta grandeza torna possível a estimativa dos principais esforços internos nos elementos estruturais, bem como tem demonstrado ser capaz de fornecer informação relevante sobre o desempenho global das estruturas, podendo servir de base para a aplicação de técnicas avançadas de deteção de dano. Neste trabalho, apresenta-se o desenvolvimento de novos transdutores de deformação para embeber em elementos estruturais de betão armado. Apresentam-se duas soluções conceptualmente diferentes, ambas baseadas na tecnologia dos sensores de Bragg em fibra ótica. Procede-se à avaliação experimental e numérica destas soluções. Afere-se a sua capacidade em representar corretamente as deformações do betão, atendendo, de igual forma, à sua capacidade em lidar com a fendilhação do betão. Interpretam-se os resultados laboratoriais e validam-se as soluções desenvolvidas. Por fim, a aplicação destes transdutores em estruturas reais de betão armado é ilustrada apresentando os resultados alcançados na Ponte da Lezíria e no Viaduto do Corgo.

Palavras-Chave: Monitorização estrutural; Sensores em fibra ótica; Transdutores de deformação.

Abstract

The structural health monitoring is based on the measurement of the most significant parameters to identify the structural behavior aiming at a reliable assessment of the structural performance and damage detection. In this context, the identification of the most relevant parameters to monitor, and the selection of appropriate measurement instruments are vital aspects to consider in the design of a monitoring system. For structural point of view, the strain is among the most significant parameters to monitor. The strain monitoring allows the estimation of internal forces in structural elements providing important information about the structural behavior, and it has proved to be effective in damage detection. In this work, novel deformation transducers to be embedded into concrete structures are introduced. Two solutions were developed based on fiber optic Bragg grating sensors being subjected to a set laboratory tests to evaluate their performance in cracked and uncracked concrete. The results and their interpretation are here presented and discussed aiming at validating the developed solutions. The application of these transducers on real bridges is also illustrated showing the results achieved in Lezíria Bridge and Corgo Viaduct.

Keywords: Structural monitoring; Fiber optic sensors; Strain transducers.

mailto:[email protected]


1 Introdução

No que concerne à medição da deformação nas estruturas de betão, encontram-se características que geralmente não estão presentes nos outros materiais utilizados na engenharia civil, como por exemplo no aço. A presença de vazios, defeitos ou inclusões, assim como a dimensão dos agregados são exemplos de descontinuidades e heterogeneidades sempre presentes em elementos de betão. É igualmente frequente o betão apresentar índices mais ou menos elevados de fendilhação. Com vista à caraterização do comportamento global da estrutura, exigem-se transdutores que sejam capazes de homogeneizar estas descontinuidades ao longo de um comprimento representativo.

Para além disto, as condições de instalação, potenciadas pela possibilidade de embeber os sensores durante a construção da estrutura, são também particularmente exigentes. São necessárias soluções suficientemente robustas para suportar o processo de betonagem e compactação do betão. Por tudo isto, os transdutores de deformação para embeber em estruturas de betão têm de responder a requisitos particulares da engenharia civil em termos de desempenho, fiabilidade, durabilidade e robustez.

Neste artigo, apresenta-se o processo que levou ao desenvolvimento de novos transdutores de deformação para embeber em elementos estruturais de betão armado. Recorre-se à tecnologia dos sensores de Bragg para alcançar esse objetivo. Procurou-se criar soluções válidas para um espectro vasto de estruturas que pode ir de edifícios, pontes, barragens ou túneis, entre outras. Apresentam-se duas soluções conceptualmente distintas e procede-se à avaliação experimental do seu desempenho. Afere-se a capacidade, destas soluções, captarem corretamente as deformações do betão, atendendo, de igual forma, à sua capacidade em lidar com a fendilhação do betão caso exista. Interpretam-se os resultados obtidos e validam-se as soluções desenvolvidas. Alguns aspetos práticos com vista à instalação destes transdutores nas estruturas da engenharia civil são por fim expostos.

2 Tecnologia dos Sensores em Fibra Ótica

Constituindo uma alternativa às tecnologias elétricas convencionais, várias tecnologias e propriedades óticas têm sido estudadas para avaliação de parâmetros mecânicos, químicos e térmicos com recurso à medição de variações nas propriedades da luz, tais como, a sua intensidade, frequência, comprimento de onda, fase ou polaridade.

Pelas suas características e pela sua extrema sensibilidade a variações de temperatura e de deformação, os sensores de Bragg têm sido porém os que mais sucesso têm tido na Engenharia Civil (MAJUNDER et al., 2008). É também sobre esta tecnologia que recai a maior parte da investigação realizada ao longo dos últimos anos no seio do LABEST/FEUP relativamente à utilização de sensores em fibra ótica na monitorização estrutural (RODRIGUES et al., 2010; RODRIGUES et al., 2012).


2.1 Sensores de Bragg

As redes de Bragg consistem numa modulação periódica do índice de refração do núcleo da fibra ótica, gravada ao longo de uma pequena extensão, tipicamente da ordem de um centímetro. Ao encontrar a rede de Bragg, a luz que se propaga na fibra é parcialmente refletida pela interface entre as porções de fibra que apresentam diferente índice de refração. Verifica-se, no entanto, que apenas uma pequena porção do espectro de luz interagirá em fase, dando origem à reflexão de um comprimento de onda bem definido, conforme representado na Figura 1 (KERSEY et al, 1997).

Figura 1 - Princípio de funcionamento das redes de Bragg: a) Configuração da rede de Bragg; b) espectro de luz de entrada; c) espectro de luz transmitida; d) espectro de luz refletida.

São várias as potencialidades das redes de Bragg no domínio das fibras óticas. As suas potencialidades como sensores assentam na sua sensibilidade intrínseca a variações de deformação e de temperatura. Demonstra-se que variações da deformação, Δε, ou da temperatura, ΔT, conduzirão a variações no comprimento de onda refletido pelo sensor, Δλb, que podem ser medidas com elevado rigor (KERSEY et al, 1997).

2.2 Vantagens e Desvantagens

Na Tabela 1 resume-se um conjunto de vantagens e desvantagens associadas a esta tecnologia (UDD, 1995; MEASURES, 2001). No cômputo geral, a tecnologia dos sensores em fibra ótica apresenta excelentes propriedades para monitorização de parâmetros ambientais e mecânicos, evidenciando, geralmente, um conjunto de vantagens quando comparada com as tecnologias elétricas convencionais.

Os benefícios inerentes à tecnologia ótica são em muitos casos capazes de justificar a sua utilização. Verificar que, em alguns casos, as soluções óticas podem ser mesmo economicamente vantajosas dada a maior flexibilidade na arquitetura da rede de sensores. Mais ainda, em algumas aplicações, como no caso dos ambientes explosivos e centrais nucleares, os sensores em fibra ótica são a única solução viável.

Paralelamente, tem-se observado que o custo dos componentes dos sistemas óticos, nomeadamente dos sensores, equipamentos de aquisição, conexões e das próprias fibras tem diminuído significativamente nos últimos anos, beneficiando da sua utilização massiva nas redes de comunicação.


Tabela 1 – Principais vantagens e desvantagens dos sensores em fibra ótica.

Vantagens: Desvantagens:

Imunidade a interferências eletromagnéticas e

frequências rádio;

Dimensões e rigidez reduzidas;

Sensibilidade a diversas grandezas físicas;

Elevada precisão;

Estabilidade a longo-prazo;

Compatível com esquemas de multiplexagem em

série e em paralelo;

Permite transmissão do sinal ao longo de grandes

distâncias face à reduzida atenuação;

Imunidade à corrosão;

Isolamento elétrico;

Apropriada para utilização em ambientes explosivos;

Matéria-prima muito abundante.

Fragilidade das fibras;

Número ainda limitado de transdutores

disponíveis;

Dificuldade de conexões das fibras óticas;

Custo geralmente elevado da maior parte dos

componentes.

3 Desenvolvimento de Novos Transdutores

Em geral, considera-se que o desenvolvimento de novos transdutores, fiáveis, robustos e de custo reduzido, é essencial para uma aceitação mais alargada das novas tecnologias pela indústria da construção. Torna-se premente a adequação dos atributos dos sensores em fibra ótica de forma a melhor ajustar os requisitos específicos da monitorização das estruturas de engenharia civil. Com esta motivação parte-se para o desenvolvimento de novos transdutores de deformação para embeber no betão.

Tendo em conta o contexto estrutural, definiram-se os seguintes requisitos gerais para estes transdutores (RODRIGUES, 2012):

devem possuir uma base de medida adequada, que pode ir de algumas dezenas de centímetros até vários metros, de forma a que seja capaz de avaliar a deformação representativa do elemento estrutural independentemente da posição das descontinuidades que afetam o material;

devem assegurar uma transmissão eficiente da deformação média do betão, na zona em questão, de forma que o sensor de Bragg (elemento sensor) experimente as mesmas deformações que o elemento estrutural;

deve ser mínima a intrusão que o transdutor provoca no campo de extensões que se pretende medir;

o encapsulamento deve conferir uma eficiente proteção à fibra ótica promovendo a sua robustez e durabilidade;

devem apresentar elevada resistência mecânica, ao choque e à abrasão, de forma a suportar as diferentes fases de exploração, resistindo a fases críticas, tais como o processo de betonagem e compactação do betão;

devem ser de fácil execução, instalação e interrogação, refletindo-se diretamente no aumento da sua fiabilidade e na redução dos respetivos custos de utilização.


Face a estes requisitos, foram concebidas e analisadas duas versões relativas a dois transdutores conceptualmente distintos. De forma sumária, ambas as soluções desenvolvidas passam por um corpo em aço inox maciço, munido de duas cabeças de ancoragem nas extremidades, instrumentado, na zona central, com sensores de Bragg pontuais (ver Figura 2). Fez-se porém variar a geometria dos transdutores e as respetivas condições de aderência nas diferentes versões. Contemplou-se, por esta via, um transdutor nervurado (transdutor N) onde se favorece a aderência entre o transdutor e o betão, e um transdutor liso (transdutor L) no qual se destrói por completo essa mesma aderência (RODRIGUES, 2012).

Figura 2 - Princípio de transdução da deformação média no betão dos transdutores óticos desenvolvidos.

3.1 Transdutor N

O transdutor do tipo N é materializado por um varão de aço inox, com 16 mm de diâmetro e 1.0 m de comprimento, conforme se representa na Figura 3. De forma a conferir uma distribuição uniforme de tensões e extensões ao longo do desenvolvimento do transdutor, projetando uma aderência gradual entre o aço e o betão, implementou-se uma rosca cónica de passo largo com cerca de 15 mm. A profundidade desta rosca cresce do centro, onde se inicia com 0.2 mm, para a extremidade do varão, onde termina com 1.2 mm.

Figura 3 – Composição do transdutor de deformação tipo N.

Complementarmente, este corpo está dotado de roscas e duas porcas nas extremidades de forma a serem acoplados dois discos, com 40 mm de diâmetro e 2.5 mm de espessura, desempenhando o papel de cabeças de ancoragem.

Na zona central do transdutor, que se mantém retificada e totalmente lisa, procede-se à colagem, por intermédio de resina epóxi de elevado desempenho, de um sensor de Bragg alinhado com o eixo longitudinal do transdutor. Este sensor, com uma base de medida de 10 mm, mede de forma pontual a extensão presente no corpo do transdutor que se pretende representativa do campo de extensões presente no betão.


Mostra-se uma imagem do primeiro protótipo construído na Figura 4.

Figura 4 – Protótipo do transdutor de deformação tipo N.

O sensor de Bragg está protegido, de ataques químicos e mecânicos, por intermédio de uma capa não aderente ao sensor que cobre a região central. As extremidades da fibra, provenientes do sensor, e respetivos conectores, estão também dispostos de forma a facilitarem a sua posterior condução no interior do betão.

3.2 Transdutor L

Desenvolveu-se em paralelo uma versão alternativa, baseada numa geometria ligeiramente distinta, onde se procurou eliminar a aderência por completo entre o transdutor e betão. Este novo transdutor passou então a ser constituído por um corpo em aço inox com 10 mm de diâmetro e, de igual forma, com 1.0 m de comprimento total, conforme se apresenta na Figura 5. Relativamente à primeira versão, reduziu-se a espessura do varão de forma a diminuir a rigidez global do transdutor. Recorreu-se, de igual forma, a cabeças de ancoragem nas extremidades, mas, no presente caso, estas foram soldadas, em cordão, ao longo de todo o perímetro do varão.

Figura 5 - Composição do transdutor de deformação tipo L.

Ao contrário da primeira solução, neste caso procurou-se destruir por completo a aderência entre o transdutor e o betão circundante. Para o efeito foram preconizadas duas soluções. Numa primeira abordagem, prescreveu-se a cobertura do sensor, durante a instalação, com óleo descofrante. Este processo veio, no entanto, a revelar-se pouco prático nas aplicações em obra. Passou-se então, a fabricar logo à partida os transdutores revestidos, ao longo de todo o corpo, com uma fina película de manga de borracha, termoretrátil não-aderente, conferindo-lhe o aspeto final presente na Figura 6.


Figura 6 - Protótipo do transdutor de deformação tipo L.

A instrumentação deste varão, com sensores de Bragg, é em tudo idêntica à adotada na primeira versão. Cada elemento sensor foi colado, por intermédio de uma resina epóxi, de forma alinhada com o eixo longitudinal do transdutor na sua posição média. Esta instalação foi posteriormente protegida por uma fina camada de resina e encapsulada no interior de um tubo convenientemente selado.

4 Validação Laboratorial

Um conjunto de ensaios laboratoriais criteriosamente definidos permitiu avaliar o desempenho destes transdutores em diferentes condições de funcionamento. Pretende-se caracterizar, não só as suas características metrológicas, mas também interpretar o seu funcionamento no seio do betão em condições representativas daquelas experimentadas nas estruturas reais que se pretendem monitorizar (RODRIGUES, 2012). Descrevem-se aqui os aspetos mais relevantes desses ensaios.

4.1 Ensaio de calibração sob tração uniaxial

O primeiro ensaio que aqui se apresenta passou pela imposição de ciclos de deformação de tração controlada diretamente no corpo do transdutor, ainda com estes fora do betão, conforme se mostra na Figura 7. Pretendeu-se assim avaliar experimentalmente a sensibilidade efetiva de cada transdutor e aferir a sua repetibilidade. Os procedimentos adotados neste ensaio vieram posteriormente a ser reproduzidos para calibrar todos os transdutores óticos realizados no LABEST/FEUP, como os que vieram a ser instalados na Ponte da Lezíria e, mais recentemente, no Viaduto do Corgo.

Figura 7 – Esquema do ensaio de tração uniaxial para calibração dos transdutores.


O ensaio de tração simples decorreu num pórtico de ensaio recorrendo-se a um atuador hidráulico, servo-controlado, para imposição controlada de forças de tração. Cada transdutor foi fixado, em ambas as extremidades por intermédio de um sistema de garras biarticulado (ver Figura 7). A medição obtida pelo sensor de Bragg do transdutor foi comparada com os resultados de extensómetros de referência redundante de desempenho comprovado.

Na Figura 8 (esq.) representa-se a extensão medida pelo sensor de Bragg instalado no transdutor (Ext Tótico) e confronta-se esse registo com a extensão de referência (ExtR), para determinação dos respetivos erros de medição. Da análise destes resultados, constata-se que é excelente a concordância obtida entre o registo do sensor de Bragg instalado no transdutor e a extensão de referência. No intervalo de extensões compreendido entre 250 e 1000 με, o erro de medição ficou balizado entre ±17 με.

Figura 8 – Resultados do ensaio de tração uniaxial: comparação do transdutor ótico com sensor de referência (esq.), determinação da sensibilidade do transdutor (dir.).

De forma a determinar a sensibilidade do transdutor, representa-se também, na Figura 8 (dir.), a correlação entre a extensão de referência, ExtR, e a variação do comprimento de onda normalizado do transdutor. Assinala-se a proximidade do valor experimental com o valor teórico presente na generalidade da bibliografia ( = 0.78×10-6 με-1).

No cômputo geral, destaca-se não só a concordância obtida durante a realização deste ensaio, mas realça-se também a repetibilidade alcançada nos diversos ensaios a que se sujeitou o mesmo transdutor. O desempenho metrológico deste transdutor é neste sentido assinalável, podendo competir com os melhores extensómetros comerciais.

4.2 Prisma submetido a ciclos de compressão

Pretendeu-se, neste segundo ensaio, avaliar a capacidade dos transdutores desenvolvidos traduzirem, efetivamente, a deformação de um elemento de betão quando solicitado a ações cíclicas de compressão. Neste caso, integrou-se o transdutor desenvolvido no interior de um prisma de betão ligeiramente armado que se sujeitou a vários ciclos de compressão, numa prensa de carga, conforme se mostra na Figura 9.

Para além do transdutor ótico cujo desempenho se pretendia avaliar (T.ótico), instalou-se um extensómetro elétrico de cordas vibrantes (Cvint), embebido no betão e colocado no


centro do prisma para comparação. Na Figura 10 (esq.), compara-se a extensão registada pelos dois instrumentos de medida internos. Assinala-se a concordância patente num ensaio onde as extensões variaram ciclicamente entre -250 e -500 με.

Figura 9 – Esquema do ensaio do prisma submetido a ciclos de compressão.

Figura 10 – Resultados do ensaio de compressão: comparação do transdutor ótico com sensor de referência (esq.), correlação entre o transdutor ótico e a instrumentação de referência (dir.).

Na Figura 10 (dir.) exibe-se a correlação entre a extensão de referência, CVint, e correspondente extensão medida pelo transdutor em estudo. Verifica-se que, no conjunto de todos os sensores, para o estado de deformação atingido, há uma linearidade assinalável da resposta. O indicador de ajuste R2 ronda os 0.999.

4.3 Ensaio de aderência em flexão

Este ensaio complementar tem o objetivo de avaliar o comportamento do transdutor aderente (tipo N) numa peça descontínua submetida a flexão circular. Pretende-se avaliar as condições de aderência transdutor-betão e a capacidade do transdutor se ajustar a uma fenda central ativa sem plastificar. A configuração geral do presente ensaio laboratorial está ilustrada na Figura 11 (esq.).


Na Figura 11 (dir.) representa-se a evolução da extensão durante o ensaio de carga. Confronta-se mais uma vez os resultados do transdutor com uma extensão de referência (LVDT), onde se assinala uma muito boa aproximação.

Figura 11 – Ensaio de aderência em flexão: vista geral do ensaio (esq.), comparação entre os resultados do transdutor e a extensão de referência medida com o LVDT externo (dir.).

No particular deste ensaio, importa no entanto salientar a capacidade deste transdutor se adaptar à possível danificação do betão por fendilhação dentro do seu campo de medida. Ao contrário do que ocorreria num varão perfeitamente aderente, os resultados obtidos demonstram a adaptação do transdutor na presença de fendas, permitindo, com uma margem razoável, a sua ocorrência sem plastificação do aço constituinte. Acrescenta-se neste aspeto, que a fragilização localizada do corpo do sensor está também, em todos os aspetos, minimizada pela geometria das estrias de aderência concebidas.

4.4 Viga fendilhada submetida a flexão circular

O quarto e último ensaio desenvolvido pretendeu ser o mais completo dos quatro. Procurou-se avaliar e comparar o comportamento das diferentes versões de transdutores, com (N) e sem (L) aderência, integrados em vigas de betão armado submetidas a flexão circular passando por diferentes estágios de fendilhação. Incidiu-se o ensaio sobre um par de vigas idênticas, avaliando a repetibilidade dos resultados, como garante da validade das conclusões alcançadas.

As vigas apresentam um comprimento total de 2.9 m, com uma secção transversal constante com largura de 0.30 m e altura de 0.35 m. Durante a montagem das vigas, contemplou-se a instalação de diversos sensores internos e externos conforme se apresenta na Figura 12. Destaca-se a instrumentação interna constituída por três configurações distintas correspondentes a:

I. um extensómetro de cordas vibrantes de referência (Ex1);

II. um transdutor ótico do tipo L, sem aderência transdutor/betão (Ex2);

III. um transdutor ótico do tipo N, com rosca de profundidade crescente (Ex3).


Figura 12 – Vistas gerais de uma das vigas ensaiadas e respetiva instrumentação interna e externa.

Comparam-se, na Figura 13 (esq.), os resultados obtidos nestes três transdutores. Verifica-se que o comportamento observado nas três soluções é muito semelhante, sendo de assinalar um desvio de pico máximo a rondar os 5 %.

Figura 13 – Resultados do ensaio na viga fendilhada: comparação dos resultados dos três transdutores (esq.); pormenor com o início da fendilhação (dir.).

É, no entanto, de referir a demonstração de comportamentos divergentes aquando da formação das primeiras fendas. Atente-se à Figura 13 (dir.) onde estão comparados com maior detalhe os registos de cada transdutor na fase de propagação das primeiras fendas. É aí notório que o transdutor sem aderência (Ex2), se destaca dos demais. Pode-se justificar este comportamento através da sensibilidade do transdutor à abertura de todas as fendas compreendidas na sua base de medida. Comparando com a instrumentação externa, verifica-se que este é o comportamento mais representativo da deformação média, pelo que se pode concluir que o transdutor sem aderência (tipo L) pode revelar uma maior aptidão para a caracterização da deformação média do betão fendilhado.


5 Aplicações

Os transdutores que se acabam de apresentar foram desenvolvidos a pensar em aplicações práticas em estruturas reais. Neste contexto, foram adotadas medidas que facilitam a sua instalação. Dedicou-se uma especial atenção para as condições particularmente agressivas presentes durante a instalação dos sensores na malha de armaduras e, mais ainda, durante a betonagem e vibração do betão.

Na Figura 14 mostram-se alguns contornos relacionados com a instalação destes transdutores em pontes de betão armado pré-esforçado. É possível visualizar a fixação dos transdutores à respetiva malha de armadura garantindo o seu posicionamento durante as fases subsequentes da betonagem. Tem-se verificado que o corpo do transdutor é suficientemente robusto para suportar o espalhamento cuidado do betão e a sua vibração. Unicamente se recomenda que o betão não seja despejado diretamente sobre os sensores e que os meios mecânicos de vibração não entrem em contacto direto com o transdutor e com os respetivos cabos.

Figura 14 – Pormenores da instalação dos transdutores de deformação em obra.

O modo como são conduzidas as fibras óticas no interior do elemento estrutural e a forma como se procede à sua retirada do interior da massa de betão deve também merecer atenção. No interior do betão, recomenda-se que todos os cabos sejam conduzidos no interior de tubos para maior proteção mecânica e para controlar os raios de curvatura da fibra ótica indutores de perdas de sinal indesejáveis.

5.1 Monitorização Estrutural da Ponte da Lezíria

O sistema de monitorização de base ótica da Ponte da Lezíria está concebido para acompanhar o comportamento estrutural durante toda a fase de exploração desta importante infraestrutura da Autoestrada A10 sobre o Rio Tejo (RODRIGUES et al, 2009). Procede-se à medição direta de extensões no tabuleiro, de flechas e de temperaturas.

Destaca-se aqui a medição de extensões no tabuleiro da ponte que segue a distribuição presente na Figura 15. Identifica-se um total de 15 secções críticas, estendendo-se a todos os meio-vãos e às secções junto aos pilares. Em cada secção instrumentada, foram instalados dois transdutores de deformação (tipo N): um localizado na laje superior e o outro na laje inferior do caixão conforme se indica no corte transversal da Figura 16. Esta disposição visa de forma integrada a avaliação da curvatura nessas mesmas secções.


Figura 15 – Posicionamento esquemático das 15 secções transversais monitorizadas.

Figura 16 – Vista geral da Ponte da Lezíria (esq.) e posicionamento dos transdutores numa secção transversal do tabuleiro.

Ilustrando a monitorização de deformações no betão, mostram-se os principais resultados que se tem vindo a processar desde o início de 2009. Na Figura 17 apresenta-se a evolução do par de extensões de forma combinada no banzo superior e no banzo inferior de uma secção transversal de meio-vão. Está bem patente a variação cíclica anual, bem como a influência dos efeitos térmicos diários. Refira-se que as extensões representadas são o resultado da compensação dos efeitos de natureza térmica quer sobre os sensores, quer sobre a componente de deformação térmica livre dos materiais estruturais. Logo, esta representa exclusivamente a extensão mecânica presente na estrutura acrescida de eventuais variações volumétricas associadas à retração e fluência do betão.

Associando-se a frequências de aquisição mais elevadas, remete-se para a Figura 18 a caracterização da resposta estrutural induzida pelo tráfego rodoviário. Neste particular, ilustra-se o registo das linhas de influência sobrepondo as extensões das oito secções de meio-vão (fibra superior e fibra inferior) obtidas durante a passagem de um veículo pesado de mercadorias a circular na ponte.

Figura 17 – Evolução da extensão medida no betão numa secção de meio-vão.


Figura 18 – Linhas de influência experimentais obtidas durante a passagem de um veículo de mercadorias.

5.2 Monitorização Estrutural do Viaduto do Corgo

O segundo caso de estudo remete para o Viaduto do Corgo atualmente em construção no Norte de Portugal. Trata-se de uma ponte estaiada com um vão central de 300m (ver Figura 19). O sistema de monitorização concebido para esta obra tem por objetivo principal fornecer informação essencial acerca do comportamento da estrutura, durante a sua construção e ao longo dos anos subsequentes, com a estrutura em serviço. Este plano, que se representa de forma global na Figura 19, 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 (FÉLIX et al 2012).

No que concerne à monitorização de deformações do betão, foram instrumentadas secções representativas dos pilares, na base e no topo, e secções do tabuleiro, a meio-vão e junto aos apoios. Cada secção contempla quatro pontos de medição, conforme se representa na secção transversal caracterizada na Figura 20, 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. Adotaram-se os transdutores do tipo L para o efeito.

Figura 19 – Plano geral de instrumentação previsto no Viaduto do Corgo.


Figura 20 – Disposição dos transdutores numa secção transversal tipo do tabuleiro do Viaduto do Corgo.

Focando os resultados obtidos durante a construção, remete-se para a Figura 21 a variação de extensão registada no betão junto da aduela de arranque sobre o pilar P19. Trata-se dos registos obtidos durante cerca de seis meses de construção da estrutura nos quatro transdutores presentes na secção transversal em causa.

Figura 21 – Evolução das extensões medidas no betão durante o faseamento construtivo.

São visíveis os principais efeitos do faseamento construtivo. Por um lado, em termos da variação relativa da deformação do betão, registam-se os efeitos do avanço da estrutura com a betonagem de novas aduelas. Por outro lado, observa-se a sua quase plena compensação com a aplicação do pré-esforço e com o tensionamento dos tirantes de suspensão. Para análise do comportamento estrutural, os respetivos esforços normais e de flexão puderam ser estimados a partir das extensões representadas.

6 Considerações Finais

A aplicação dos sensores em fibra ótica na engenharia tem crescido de forma acelerada. A sua entrada na monitorização das estruturas da engenharia civil é contudo ainda um tema emergente. As exigências são únicas devido às grandezas que se pretendem medir, às condições da sua instalação e ao ambiente onde ficam inseridas. Torna-se premente a melhoria da tecnologia ótica de forma a melhor se ajustar aos requisitos específicos, exigindo-se uma aplicação mais expedita, robusta, versátil e eficiente.


Neste trabalho abordou-se o desenvolvimento de novos transdutores de deformação para embeber no betão. Criaram-se novas soluções visando meios de medição mais fiáveis, mais robustos, mais fáceis de instalar e mais económicos. Um conjunto vasto de ensaios laboratoriais e duas aplicações em obra foram apresentados, tendo ficado assim comprovado o desempenho dos transdutores de deformação desenvolvidos.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), de Portugal, o financiamento atribuído à Unidade de Investigação LABEST.

Referências

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