ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE...

10
2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 A utilização de sensores em fibra óptica na monitorização de estruturas Carlos Félix Joaquim Figueiras 2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC 12 E 13 de Outubro de 2009 2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 A utilização de sensores em fibra óptica na monitorização de estruturas 1. Introdução Objectivos da monitorização das estruturas Sistemas de monitorização de estruturas 2. Sensores ópticos 3. Sensores de Bragg em fibra óptica Introdução Princípio de funcionamento Vantagens Desenvolvimentos laboratoriais 4. Casos de obra Ponte de Trezói Ponte Luiz I Ponte da Lezíria 5. Considerações finais 2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estruturas Aumento do período de vida útil das obras em condições de economia e de segurança Economia Segurança 2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 - Gestão e manutenção mais eficaz - Intervenções de reabilitação mais eficientes Intervenção tardia significa custo da reparação = custo da substituição As infraestruturas têm sofrido degradação acelerada, sendo necessário Monitorização permanente para prevenção é essencial na gestão das infra-estruturas É uma questão de economia INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estruturas Aumento do período de vida útil das obras - Economia 2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 - Pontes que necessitam de urgente intervenção não são identificadas - Pontes que não necessitam de o ser são reforçadas Ponte Hintze Ribeiro (Colapso) Monitorização permanente das obras de arte é essencial É uma questão de segurança INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estruturas Aumento do período de vida útil das obras - Segurança 2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estruturas Controlo da execução / reparação / reforço - No caso de grandes obras - Projectos inovadores - Uso de novos materiais - Processos construtivos avançados Responsabilidade acrescida e maiores riscos para os Engenheiros; Responsabilidades são assumidas se houver informação contínua sobre o desempenho das estruturas. É uma questão de responsabilidade

Transcript of ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE...

Page 1: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

A utilização de sensores em fibra

óptica na monitorização de

estruturas

Carlos FélixJoaquim Figueiras

2º ENCONTRO NACIONAL DEGEODESIA APLICADA

LNEC12 E 13 de Outubro de 2009

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

A utilização de sensores em fibra óptica na monitor ização de estruturas

1. Introdução

Objectivos da monitorização das estruturas

Sistemas de monitorização de estruturas

2. Sensores ópticos

3. Sensores de Bragg em fibra óptica

Introdução

Princípio de funcionamento

Vantagens

Desenvolvimentos laboratoriais

4. Casos de obra

Ponte de Trezói

Ponte Luiz I

Ponte da Lezíria

5. Considerações finais

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Aumento do período de vida útil das obras em condições de economia e de segurança

Economia

Segurança

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

- Gestão e manutenção mais eficaz- Intervenções de reabilitação mais eficientes

Intervenção tardia significa → custo da reparação = custo da substituição

As infraestruturas têm sofrido degradação acelerada, sendo necessário

Monitorização permanente para prevenção é essencial na gestão das infra-estruturas

É uma questão de economia

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Aumento do período de vida útil das obras - Economia

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

- Pontes que necessitam de urgente intervenção não são identificadas

- Pontes que não necessitam de o ser são reforçadas

Ponte Hintze Ribeiro (Colapso)

Monitorização permanente das obras de arte é essencial

É uma questão de segurança

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Aumento do período de vida útil das obras - Segurança

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Controlo da execução / reparação / reforço

- No caso de grandes obras

- Projectos inovadores

- Uso de novos materiais

- Processos construtivos avançados

Responsabilidade acrescida e maiores riscos para os Engenheiros;

Responsabilidades são assumidas se houver informação contínua sobre o desempenho das estruturas.

É uma questão de responsabilidade

Page 2: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Monitorização de um viaduto metálico durante a construção

Objectivo: Controlo da fase de construção e calibração do modelo

Monitorização permanente durante a fase construtiva e exploração.Sistema estático de base eléctrica (60 sensores).

Controlo da execução

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Transporte do viaduto atéà sua posição final

Main South Beam

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

14:3

0

14:3

5

14:4

1

14:4

7

14:5

3

14:5

9

15:0

4

15:1

0

15:1

6

15:2

2

15:2

8

Time

Stra

in [x1

0E-6 m

m/m

m]

VPSBS7-1

VPSBS7-2

VPSBI8-1

VPSBI8-2

VPSDN9-1

VPSDN9-2

VPSDN10-1

VPSDN10-2

(trabalho nocturno)

Extensões durante a construção

Controlo

Controlo da execução

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

• Entrada Este da cidade do Porto;

• Viaduto assimétrico com 3 planos de tirantes e mastro com forma especial para contrabalançar a assimetria dos dois vãos principais

• Tabuleiro em caixão e mastro monitorizados, durante a construção/exploração

Viaduto sobre a VCI - observação durante a construção e a fase de exploração

Controlo da execução

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

Acompanhamento da fase de aplicação de PE em cabos e diagonais

Vista do interior do caixão

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

24-J

ul

25-J

ul

26-J

ul

27-J

ul

28-J

ul

29-J

ul

30-J

ul

Ext

ensã

o (x

10-6

m/m

)

ED1 ED2

ED3 ED4

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

Monitorização durante a fase de serviço (3 anos)

Benefícios da monitorização

• Acompanhamento dos processos construtivos e vigilância permanente da obra

• Informação em tempo real de qualquer incidente permite um conhecimento mais profundo para tomar as decisões mais adequadas

-1000

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

01-

04-

2001

01-0

7-20

01

01-1

0-20

01

01-

01-

2002

01-0

4-2

002

01-0

7-20

02

01-1

0-20

02

01-0

1-2

003

01-0

4-20

03

01-0

7-2

003

01-1

0-2

003

01-0

1-20

04

Ext

ens

ão (

x10-6

m/m

)

ES3-1S ES3-1AES3-1I ES3-3SES3-3A ES3-3I

Concrete strains

Section S3

Str

ain

-1000

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

01-

04-

2001

01-0

7-20

01

01-1

0-20

01

01-

01-

2002

01-0

4-2

002

01-0

7-20

02

01-1

0-20

02

01-0

1-2

003

01-0

4-20

03

01-0

7-2

003

01-1

0-2

003

01-0

1-20

04

Ext

ens

ão (

x10-6

m/m

)

ES3-1S ES3-1AES3-1I ES3-3SES3-3A ES3-3I

Concrete strains

Section S3

-1000

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

01-

04-

2001

01-0

7-20

01

01-1

0-20

01

01-

01-

2002

01-0

4-2

002

01-0

7-20

02

01-1

0-20

02

01-0

1-2

003

01-0

4-20

03

01-0

7-2

003

01-1

0-2

003

01-0

1-20

04

Ext

ens

ão (

x10-6

m/m

)

ES3-1S ES3-1AES3-1I ES3-3SES3-3A ES3-3I

Concrete strains

Section S3

Str

ain

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

01-0

4-20

01

01-0

7-20

01

01-1

0-20

01

01-0

1-20

02

01-0

4-20

02

01-0

7-20

02

01-1

0-20

02

01-0

1-20

03

01-0

4-20

03

01-0

7-20

03

01-1

0-20

03

01-0

1-20

04

Ext

ensã

o (x

10-6

m/m

)

ED1 ED2

ED3 ED4

retension of stays

Diagonal strains

Strain

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

01-0

4-20

01

01-0

7-20

01

01-1

0-20

01

01-0

1-20

02

01-0

4-20

02

01-0

7-20

02

01-1

0-20

02

01-0

1-20

03

01-0

4-20

03

01-0

7-20

03

01-1

0-20

03

01-0

1-20

04

Ext

ensã

o (x

10-6

m/m

)

ED1 ED2

ED3 ED4

retension of stays

Diagonal strains

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

01-0

4-20

01

01-0

7-20

01

01-1

0-20

01

01-0

1-20

02

01-0

4-20

02

01-0

7-20

02

01-1

0-20

02

01-0

1-20

03

01-0

4-20

03

01-0

7-20

03

01-1

0-20

03

01-0

1-20

04

Ext

ensã

o (x

10-6

m/m

)

ED1 ED2

ED3 ED4

retension of stays

Diagonal strains

Strain

ED1 ED3

ED2 ED4

ED1 ED3

ED2 ED4

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Verificação da conformidade da estrutura executada

Análise dos valores medidos em obra com base nos previstos no projecto

Validação do modelo do projecto;Verificação do comportamento da estrutura face às condições ambientais (temperatura) e a acções estáticas e dinâmicas.

Page 3: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização das estrutu ras

Verificação da conformidade da estrutura executada

Modelo de elementos finitos

DV2

DV6

Linhas de influência das flechas DV2 e DV6 (experimental vs numérico)

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180Desenvolvimento (m)

Flecha (mm)

DV2 Ensaio DV6 Ensaio

DV2 Modelo DV6 Modelo

Ponte de Caniços

Traçado de linhas de influência - Efeito nas secções instrumentadas da estrutura quando atravessada por veículos a velocidade reduzida e constante

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Analogia – Corpo humano / Estrutura

SHM – Structural Health Monitoring– Monitorização da Integridade Estrutural

Monitorização estrutural → prolongará a vida das obras de arte

Médico/Paciente Engenheiro SHM/Estrutura

Cuidados preventivos de saúde → aumento da esperança de vida

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Condições ambientais Temperatura ambiente e das estruturasHumidade relativaPluviosidadeInsolação

Deslocamentos FlechasMovimentos de juntas de dilatação

Rotações

Deformações

Acelerações Da estrutura e do solo

Durabilidade Corrosão das armadurasPotencial de corrosão

Infraescavação Em fundações de pontes

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

Grandezas em observação

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Componentes de um sistema de monitorização

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

GPRS

Router INTERNET

Sistema de aquisição(no local)

Sensores (vários tipos)

Armazenamento de dados (disco rígido ou arquivos)

Processamento de dados

Diagnóstico

Acesso à informação e tomada de decisão

• Sensores

• Equipamento de

alimentação e de

aquisição

• Sistema de

transmissão de

dados

• Sistema de

processamento e

de armazenamento

de dados

• Sistema de gestão

de dados e de

apoio à decisão

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

Sensores

Transdutor de deformação em material compósito

Transdutor de deformação em varão de aço inox

Transdutor de flechas

Termómetros

Extensómetros

Inclinómetros

Acelerómetros

Sensores de HR (…)

Transdutores de deslocamento

Sensores de corrosão

Sonares

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Sistemas de monitorização das estrutura s

Sistema de gestão de dados

Informação das secções instrumentadas

Visualização gráfica dos registos, relatórios

Page 4: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

INTRODUÇÃO – Actividades do LABEST em SHM

LABEST

- Tem um grupo dedicado à Monitorização de Estruturas

Unidade de I&D da Faculdade de EngenhariaUniversidade do Porto

Projectos de investigação e contratos com a indústria têm fornecido os meios para o desenvolvimento e aplicação de novos sistemas de monitorização.

Websitewww.fe.up.pt/labest

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Famílias de sensores em sistemas automáticos

Eléctricos

Ópticos• Sensores baseados na modulação do comprimento de onda (sensores de

Bragg)• Sensores baseados na modulação da fase (sensores de Fabry-Perot)• Sensores baseados na modulação da intensidade (sensores de

microcurvatura)

SENSORES ÓPTICOS

Cordas vibrantes Resistência eléctrica

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Luz reflectida no interior de uma fibra óptica

Revestimento secundário

Revestimento primário Baínha

Núcleo

Fibra óptica reforçada com Kevlar®

Sistema de protecção de uma fibra óptica

(8µm + 125 µm + 245 µm)

Fibra óptica com e sem revestimento primário

θi

nf

θi

nb

Baínha

Núcleo

nb<nf

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Introdução

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

ΛΛΛΛnbaínhannúcleo

rede de Bragg

.

espectro em transmissão fonte de espectro largo

espectro em reflexão

λλλλ0

I(λ)

λλ0

Encurtamento da fibra ou

abaixamento da temperatura

Alongamento da fibra ou aumento da temperatura

Λ= 00 n2λ

TGG T ∆+∆=− ελ

λλε

0

0

n0

– índice efectivo de refracção

Λ – período espacial de modulação

Gε – factor de ganho para a deformação

GT – factor de ganho para a temperatura

� Modulação periódica do índice de refracção

� Espelho selectivo em comprimento de onda

Efeito da deformação num sensor de Bragg

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Introdução

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Espectro da fonte Espectro em transmissão

Espectro em reflexão

λ1

SB1

SB2

SB3

λ2 λ3

Principal vantagem: distribuição numa mesma fibra d e diversos sensores

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Multiplexagem

São dispostos em série, sensores com comprimentos de onda central distintos (assinatura do sensor)

No espectro em reflexão é possível identificar a resposta de cada sensor

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Representação esquemática de um sistema de interrogação de redes de BraggFonte

óptica

Analisador de espectros ópticos

Acoplador 50:50

λλλλ1 λλλλ2 λλλλn(…)

Sistema compacto

Sensores de Bragg

I(λ)

λλ1

∆λ

λ2

Afastamento em comprimento de onda entre dois sensores de Bragg

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Sistemas de inte rrogação

Page 5: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Representação esquemática de multiplexagem em série e em paralelo de redes de Bragg

λλλλn

λλλλ1

MultiplexadorÓptico

λλλλ2

λλλλ1 λλλλ2 λλλλn(…)

Multiplexagem em série

(…)

Multiplexagem em paralelo

Sistema híbrido de multiplexagemComu

tadoróptic

o

λ1,

1

λ1,2 λ1,

n

(…)

λ2,

1

λ2,2 λ2,

n

(…)

λm,

1

λm,

2

λm,

n

(…)

Fonteóptica

Analisador de espectros ópticos

Acoplador 50:50

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Técnicas de mult iplexagem

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Grandezas físicas:

� Deformação

� Rotação

� Deslocamento

� Temperatura

� PH

� Humidade

Principais vantagens:

� Imunidade aos campos electromagnéticos

� Reduzida perda de sinal

� Facilitadas as técnicas de multiplexagem

� Elevada precisão sem perda da referência

Fibra óptica

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA

Algumas desvantagens:

� Maiores cuidados na instalação tendo em vista a robustez

� Menor disponibilidade de equipamentos de aquisição

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

y = 0.0102x + 1555.8929R2 = 0.9995

1555.8

1556.0

1556.2

1556.4

1556.6

1556.8

1557.0

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temperatura (ºC)

Com

prim

ento

de

onda

(nm

)

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

Comp. de ondaErro

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Sensores de temp eratura

C/ºpm2.10ST =

C/º1056.6G 6T

−×=

nm15560 =λ

SFO usado como sensor de temperatura

Relação linear entre o sinal óptico e a variação de temperatura

TGG T ∆+∆=− ελ

λλε

0

0

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

µεε /pm62.0S =

µεε /1076.0G 6−×=

nm8160 =λ

y = 0.00062x + 815.29813R2 = 0.99820

815.0

815.5

816.0

816.5

817.0

0 500 1000 1500 2000 2500

Extensão (x10-6m/m)

Com

prim

ento

de

onda

(nm

)

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

Comp. de ondaerro

SDST

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Sensores de defo rmação

SFO aplicado por colagem a varão de aço nervurado

Variação linear entre o sinal óptico e a deformação do aço, até à rotura

TGG T ∆+∆=− ελ

λλε

0

0

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

0

125

250

375

500

0 1 2 3

Tempo (s)

Ext

ensã

o (x

10-6

m/m

)

EO1 EO2 EO3 EO4 EO5 EO6 EO7

� Viga reforçada com um laminado de CFRP

� Observação durante um ensaio de flexão com ciclos d e carga/descarga

Viga reforçada durante o ensaio

Aplicação da fibra óptica

Resultados da medição

EO1EO7 (…)

� Frequência dos ciclos de carga/descarga – 1Hz

� Frequência de aquisição do sinal – 50Hz

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Sensores de defo rmação

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

• 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 de abertura sem plastificação do varão

Transdutor de deformação para embeber no betão

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Sensores de defo rmação

Page 6: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

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.

O resultado foi o desenvolvimento de um novo transdutor de flechas.

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

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Sensores de flec has

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Transdutor óptico de flechas

Testes de laboratório evidenciaram excelente estabilidade e robustezSensor alvo de um processo de pedido de patente

Ensaio deslocamento controlado

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1

tempo

de

slo

ca

me

nto

ve

rtic

al

(mm

)

LVDT Transdutor FEUP

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]

Tran

sdu

tor

FEU

P [

sin

al o

pti

co

- n

m]

Experimental

Linear

(Experimental)

Ensaio deslocamento controladoLVDT Transdutor flechas

Transdutores de Flechas - Linearidadey = -0.007020x - 0.009723

R2 = 0.999966

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA – Sensores de flec has

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

SENSORES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA

Sensores de Bragg em fibra óptica aplicados em obra (LABEST)

Avaliação dos níveis de tensão em serviço. Comparação do desempenho de sensores ópticos com eléctricos.

6 sensores de deformação(colados à superfície do aço)

Ponte ferroviária de TrezóiProjecto: POCTI/ECM/57286/2004(Fadiga)

(2008)

Não intrusivo. Possibilidade de leituras periódicas com equipamento portátil sem perder referência inicial.

10 sensores de deformação4 sensores de temperatura (colados a compósito CFRP)

Casa da Música no Porto(Reforço de casca)

(2008)

Redução do ruído e eliminação das interferências de campos electro-magnéticos.

60 sensores de deformação(colados à superfície do aço)

Ponte Eiffel em Vianado Castelo (Reabilitação)

(2007)

Sistema inovador para medição de curvaturas e flechas nos tramos da ponte.

60 sensores de deformação6 sensores de temperatura (embebidos no betão)11 sensores de flecha4 sensores de temperatura

Ponte da Leziria(2007)

Sistema permanente e durável aplicado a estrutura metálica.

118 sensores de deformação10 sensores de temperatura8 sensores de deslocamento

Ponte Luiz I(2006)

Comparação da eficiência dos sistemas eléctricos e ópticos de interrogação e aquisição de sinal.

30 sensores de deformação10 sensores de temperatura (embebidos no betão)

Ponte sobre o Rio Sorraiana A10 – Projecto SMARTE

(2004)

Objectivo da selecção/opçãoNúmero e tipo de sensoresObra

ano

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

CASOS DE OBRA

Ponte de Trezói

Ponte Luiz I

Ponte da Lezíria

Casos de obra que ilustram a aplicação de SFO na monitorização estrutural:

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Ponte de Trezói – Ponte metálica ferroviária na linha da Beira Alta

Objectivo: Avaliação dos níveis de tensão em serviço (POCTI/ECM/57286/2004). Comparação do desempenho de SFO com eléctricos.

Monitorização estática e dinâmica baseada em sensores eléctricos e na tecnologia de fibra óptica.

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DE TREZÓI

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DE TREZÓI - instalação

Extensómetros eléctricos versus SFO

Vista geral

Vista do interior do tabuleiro

Ponte de Trezói

S6 ES6-2

OS6-2

OS6-1

ES6-1

Sensores colados a meio do vão central –

corda inferior

Page 7: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

-100

-50

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50TEMPO [seg]

EXTEN

SÃO [x1

0E-6

m/m

]

ES6-2 ES6-1 OS6-1 OS6-2

S6 ES6-2

OS6-2

OS6-1

ES6-1

Legenda:

S6 ES6-2

OS6-2

OS6-1

ES6-1

S6

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DE TREZÓI - resultados

Extensómetros eléctricos versus SFOPassagem de um

comboio de mercadorias

Leituras a 100Hz

Caracterização do tráfego

Deformações registadas na corda inferior

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Caracterização do tráfego

0 5 10 15 20 25-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

TEMPO [seg]

EX

TE

NS

ÃO

[x1

0E-6

mm

/mm

]

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DE TREZÓI - resultados

Extensómetros eléctricos versus SFO

Deformações registadas na secção de um dos carris

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Ponte Luiz I – Ponte metálica centenária no Porto

Objectivo: Avaliação do comportamento antes, durante e após a reabilitação Sistema de monitorização permanente da obra (vigilância)

Monitorização estática e dinâmica baseada na tecnologia de fibra óptica (136 sensores).

MONITORIZAÇÃO DA PONTE LUIZ I

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

MONITORIZAÇÃO DA PONTE LUIZ I - concepção

11

1

1213

14

15

10

2

98

3 4

5

6

7

ENCONTRO SUL

ENCONTRO NORTE

ECO

Arquitectura do sistema instalado em obra

� 10 sensores de temperatura:

� 6 em cordas do arco;

� 4 no tabuleiro superior;

� 32 no tabuleiro superior;

� 14 no arco;

� 6 em pilares metálicos;

� 9 em montantes de suspensão;

� 59 pares de extensómetros observaram as deformações de outras tantas peças:

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

MONITORIZAÇÃO DA PONTE LUIZ I - resultados

Obtenção dos efeitos das sobrecargas - longarina

Variação da deformação sem correcção do efeito da temperatura

Variação da deformação corrigida do efeito da temperatura

E1

E2

Análise qualitativa dos resultados:

E1 – metro na direcção Porto – Gaia

E2 – metro circula na direcção Gaia – Porto

A periodicidade da passagem foi de cerca de 7 minutos

O peso de cada composição éaproximadamente o mesmo

O efeito da acção também o é.

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Obtenção dos efeitos das sobrecargas - carlinga

Variação da deformação para a passagem de duas composições que circulam em sentidos opostos

1.40

35.00

8.92 1.40 8.92 1.40 8.92 1.40 1.40

35.00

8.92 1.40 8.92 1.40 8.92 1.40

G1 G2 G3 G5 G6 G7G4

3.04

103.784.9G7

125.3116.0G6

134.1110.6G5

200.7172.0G4

138.4110.6G3

126.5116.0G2

104.484.9G1

EstimativaEm vazioCargas por grupo de eixos (kN).

Algoritmos de pós-processamento permitem a obtenção de informação relevante

MONITORIZAÇÃO DA PONTE LUIZ I - resultados

Page 8: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA

Projecto TACE (2006/08)

• Monitorização estrutural e de durabilidade – Ponte da Lezíria;

• Maior projecto de monitorização realizado em Portugal (500 sensores).

Objectivos:

• Avaliação do comportamento da estrutura durante a construção;

• Sistema de monitorização permanente com acesso remoto em temporeal da Ponte Principal e Viadutos de Acesso.

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA

SHM – Ponte da Lezíria – Projecto inovador

Parte integrante do projecto de execução da ponte – Nova especialidade

Vol. dedicado – Plano de monitorização estrutural e de durabilidade

Ponte da Lezíria (Maio 2007)

NewMENSUS - spin off do LABEST - Unidade de Investigação da FEUP

νννν mensusmensusmensusmensus • Monitorização de estruturas• Inspecção e diagnóstico

• Avaliação da integridade e da durabilidade estrutural• Consultoria

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Rede de sensores(eléctricos e ópticos)

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - concepção

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Rede de sensores

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - concepção

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Rede de sensores em fibra óptica

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - concepção

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Integração de todos os sistemas de aquisição numa rede de comunicação única

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - concepção

Page 9: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Sensor com caixa de ligação

Sistema de monitorização ópticoNovo transdutor de deformação desenvolvido no LABES T

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - concepção

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Posicionamento antes da betonagem

Sistema de monitorização ópticoInstalação do transdutor de deformação

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - instalação

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Sistema de monitorização óptico

Caixa de derivação no interior do caixão da ponte

Acesso às ligações para manutenção

Instalação do transdutor de deformação

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - instalação

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Sistema de medição de flechas

Reservatório e transdutor de referência

Sistema baseado no sistema de nivelamento hidrostát ico no qual se utilizaram os novos transdutores de flechas desenvolvidos no LABE ST

Transdutor em ponto de medição

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - instalação

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Ligação ao circuito hidráulico

Sistema de medição de flechas – pormenor da instalação

Ligação à rede de sensores em fibra óptica

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - instalação

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Instalação de outros equipamentos, cablagens e acessórios

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - instalação

Transdutor de deslocamento em aparelho de apoioCondução de cabos

no interior do caixão da ponte

Armários no passadiço técnico

Page 10: ENGA 2009 lightenga.lnec.pt/anteriores/II/3_ENGA_2009_Carlos_Felix.pdf2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009 INTRODUÇÃO – Objectivos da monitorização

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Testes e verificações finais do sistema

Manual de imagem, impermeabilizações e lacre

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - instalação

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Monitorização da evolução das flechas

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - registos

Evolução das flechas no 1º vão

Condicionadas pela acção da temperatura

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Monitorização das extensões

MONITORIZAÇÃO DA PONTE DA LEZÍRIA - registos

Linhas de influência das extensões

Nas oito secções de meio vão (fibras superior e inferior)

Obtidas durante a passagem de um veículo em condições normais de circulação (pesado a circular a uma velocidade média de cerca de 80 km/h)

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Considerações finais

CONSIDERAÇÕES FINAIS

• A importância dos novos Sistemas de Monitorização de Estruturas tem sido crescente – Responsabilidade, Economia, Conhecimento.

• A fiabilidade e a robustez dos sistemas de monitorização é um aspecto essencial.

• Os sensores em fibra óptica têm demonstrado as suas potencialidades para integrarem os sistemas de monitorização –possuem inúmeras vantagens quando comparados com os de base eléctrica.

• É necessário desenvolver novos transdutores e equipamentos mais robustos e mais competitivos – a tecnologia óptica é o futuro dos sistemas de monitorização estrutural.

2º ENCONTRO NACIONAL DE GEODESIA APLICADA

LNEC, 12 E 13 de Outubro de 2009

Agradecimentos

AGRADECIMENTOS

À restante equipa LABEST, à FCT, à NewMENSUS, ao Metro do Porto, à REFER, à construtora TACE e à BRISA S.A.

Obrigado pela atenção