Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo – Introdução

Publicado: 11 de julho de 2019 em Assuntos Técnicos
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Por Fabio Ioveni Lavandoscki, Diego Lapolli Bressan e Lucas P. G. Fernandes

Introdução

 

Este artigo técnico é o primeiro de uma série que discorre sobre a tecnologia de monitoramento de estruturas civis e os resultados obtidos a partir de um trabalho de pesquisa e capacitação realizado em 2018. O objetivo desse trabalho foi de prospectar tecnologias disponíveis de sensores (inclinômetros e acelerômetros) de baixo custo que poderão ser utilizados em conjunto com a plataforma Arduino no monitoramento de vibrações e rotações em obras civis. Na sequência, desenvolver um sistema de baixo custo e compará-lo com sistemas comerciais para verificar as diferenças nos parâmetros de interesse.

 

Contextualização histórica

 

O monitoramento de estruturas é tão antigo como a própria atividade de engenharia. Há milhares de anos que a humanidade tem se mostrado capaz de executar estruturas complexas com grande precisão, atividade em que é imprescindível o uso, independente do nível de sofisticação, de equipamentos de monitoramento. O primeiro método de monitoramento foi provavelmente a simples ação da medição visual, mas técnicas mais sofisticadas foram desenvolvidas rapidamente. Um exemplo notório de obras que, apesar de antigas, mostram grande complexidade, são os aquedutos. Há exemplos dessas obras já nos séculos VI e VII a.C, como o aqueduto de Jerwan, localizado no atual Iraque, e construído no reinado do rei assírio Senaqueribe I (Mallowan, 2018). Um desenho esquemático dessa estrutura é mostrado na Figura 1.

Figura 1 – Aqueduto de Jerwan.

Os aquedutos construídos pelos assírios, gregos e romanos tinham frequentemente uma declividade da ordem de apenas algumas dezenas de centímetros para cada quilômetro de extensão, como cerca de apenas 0,02% ou 0,03%, o que obviamente sugere o uso de eficazes instrumentos de medição e monitoramento, de modo a comprovar as medidas estabelecidas em projeto (Disponível em: http://www.romanaqueducts.info).

Há relatos de alguns equipamentos de medição empregados, sobretudo pelos romanos, nas grandes obras da antiguidade, aparelhos que foram provavelmente também utilizados de modo a monitorar essas estruturas sejam em fase de obra ou posterior à mesma. Um exemplo notório é o equipamento chamado “groma”, originalmente usado para demarcação de linhas retas ou perpendiculares, mas que pelo mesmo motivo pode ter sido usado de forma a monitorar estruturas em termos de se verificarem inclinações (Disponível em: https://explorable.com/roman-roads). Na Figura 2 pode-se observar uma imagem ilustrativa de uma “groma” romana.

Figura 2 – “Groma” Romana.

Monitoramento estrutural

 

A avaliação da segurança estrutural é uma atividade importante na Engenharia Civil. Por meio dela determina-se quando uma estrutura deve ser recuperada, limitada a utilização ou até mesmo interditada. Faz parte dessa avaliação inspeções e ensaios, que possibilitam avaliar a degradação e as condições gerais da estrutura. O monitoramento auxilia, nessas avaliações, provendo um histórico de informações e do comportamento da estrutura perante aos carregamentos existentes. Além disso, possibilita detecção de danos ou falhas estruturais no estágio mais precoce possível, evitando prejuízos financeiros e principalmente acidentes. Ressalta-se que diversos acidentes estruturais poderiam ser evitados com a utilização de um sistema de monitoramento estrutural contínuo.

O monitoramento do comportamento estrutural possibilita a avaliação das estruturas quanto ao seu uso, por meio de instalação de instrumentação, as quais permitem analisar os efeitos dinâmicos provenientes de solicitações externas, e com isto confrontar as situações concebidas em projeto com aquelas efetivamente ocorridas durante a vida útil da obra. Também permite acompanhar o comportamento das anomalias, fornecendo informações relevantes para o planejamento de manutenção e otimização das intervenções, e desta forma garantir que a evolução das anomalias não provoque a interrupção do uso da estrutura ([2] NERY, 2013).

Sistemas de monitoramento de vibração e inclinação de estruturas são cada vez mais requeridos, uma vez que, a evolução das técnicas de análise e dimensionamento estrutural em conjunto com o desenvolvimento de materiais de construção mais leves e resistentes, tem permitido a construção de estruturas esbeltas e com grandes vãos, portanto mais flexíveis e suscetíveis a níveis de vibração e deslocamentos excessivos.

No cenário internacional, a importância da monitoração de estruturas no âmbito da Engenharia Civil é um fato consolidado. Programas de monitoração podem estender a vida útil da estrutura consideravelmente, justificando o investimento no sistema de monitoração. Esta forma de pensar tem sido bastante praticada na Europa, nos EUA e na Ásia, principalmente na China, Singapura, Coreia do Sul e Japão, onde muitos edifícios altos, grandes pontes e outras importantes obras possuem soluções de monitoração prevista desde a fase de projeto ([1] ASSIS, 2007 apud [3] KOH, KIM E CHOO, 2005). Ainda de acordo com [1] ASSIS (2007), é cada vez mais frequente o caso de obras de grande porte que têm inclusive previsto em projeto o uso do monitoramento.

As Figuras 3 e 4 mostram exemplos de obras com uso do monitoramento desde fase de construção.

Figura 3 – Ponte Ashidagawa, no Japão.
Figura 4 – Ponte Arthur Ravenel Jr., nos EUA.

A área de manutenção também tem se desenvolvido nas últimas décadas no que é denominado monitoramento de integridade estrutural. Nessas abordagens, estruturas complexas e/ou de elevado custo são monitoradas periodicamente utilizando técnicas sofisticadas de sensoriamento e modelagem ([4] BARELLA et al., 2016).

O fato é que, atualmente o monitoramento estrutural é aplicado em estruturas de maior vulto devido ao elevado custo dos equipamentos, softwares e implantação dos sistemas utilizados.

Porém, com o desenvolvimento dos celulares, tabletes e drones, que utilizam diversos sensores em suas aplicações, surgiram no mercado sensores de baixo custo que podem atendem os requisitos de sensibilidade requeridos no monitoramento de estruturas civis.

Esses sensores baixo custo aliados a placas de microcontroladores tais como o Arduino e softwares do tipo “open source”, permitem o desenvolvimento de sistemas de monitoramento de baixo custo. Com isto, o monitoramento de obras será facilitado já que a compra dos equipamentos terão menor impacto no orçamento final enviado ao Cliente.

 

Monitoramento estrutural no IPT

 

A atividade proposta atende ao mercado de Infraestrutura, sendo este de grande atuação no IPT. Nos últimos anos, a SEE (Seção de Engenharia de Estruturas) atuou diretamente na construção da infraestrutura urbana nacional, prestando apoio tecnológico nas fases de construção, recuperação e manutenção de obras públicas e privadas. Também foram elaborados relatórios e pareceres técnicos, no qual foram avaliadas as condições e integridade das estruturas por meio do monitoramento de diversos parâmetros, dentre eles vibração e rotação dos elementos estruturais.

Como exemplo cita-se as obras realizadas para substituição dos cabos de suspensão, por estarem com capacidade reduzida, da Ponte Pênsil de São Vicente-SP construída em 1924, composta por: vão livre de 200 m com treliça metálica, tabuleiro em madeira e torres metálicas com 20 m de altura revestidas com concreto (Figura 5).

Figura 5 – Vista da ponte pênsil monitorada.

Como a substituição de cabos de aço de pontes pênsis não é uma atividade comum para as empresas de recuperação, o projeto apresentava riscos elevados de execução. Além disso, a presença de adutoras apoiadas na estrutura da ponte, juntamente com a permissão do trânsito de pedestres e ciclistas durante a execução da obra, determinaram a necessidade do monitoramento contínuo, de modo a minimizar os riscos de acidentes associados ao processo de recuperação, provendo o construtor em tempo real de informações relativas a deslocamentos, deformações, inclinações e vibrações excessivas, velocidade e direção do vento. Além disso, o monitoramento contínuo permitiu emitir alertas e impor limites nas etapas de transferência de carga dos cabos ou a interrupção de atividades acima dos limites previstos. As Figuras 6 e 7 ilustram respectivamente os sensores utilizados e locais de instalação.

Figura 6 – Equipamentos utilizados.

Figura 7 – Pontos de instalação dos equipamentos.

Tendências no campo do monitoramento estrutural

 

O campo do monitoramento estrutural tem tido grandes avanços nas últimas décadas, sobretudo naquilo que se refere à tecnologia empregada nos sensores, particularmente influenciada pelo crescente desenvolvimento da nanotecnologia. Entretanto, alguns pontos fundamentais nessa área ainda têm grandes deficiências, e as tendências no presente e futuro em geral se destinam as tentativas de solucionar a situação.

Um grande problema do monitoramento estrutural é custo nele empregado. A rede tradicional de sensores e processadores, mais bem descrita adiante nesse texto, em geral tem um sistema baseado em cabos, tipo manga ou fibra ótica (este último é mais eficiente), conectando seus componentes e, considerando a grande extensão que podem ter estruturas como pontes e barragens, é de se esperar que o custo de todo esse conjunto de fios pode ser consideravelmente expressivo. Na última década, tem sido cada vez mais comum o uso de sensores sem fio “wireless sensor network (WSN)”, o que acaba eliminando esse custo de cabos e pode tornar o investimento mais atrativo.

Essa tendência deve seguir no futuro, e o caso de rede conectada por cabos deve ser progressivamente mais raro numa realidade próxima. Com o uso desses sensores sem fio, entretanto, há ainda problemas com suas baterias, que em geral são de pequena capacidade e demandam trocas recorrentes. Há diversos estudos no sentido de se utilizarem formas interessantes de se resolver o problema, por exemplo, com o uso de energia solar que a estrutura recebe.

O custo do sistema é ainda muito afetado pelos expressivos recursos empregados no sistema de processamento de dados, que envolve, dentre outros equipamentos, o uso de condicionadores de dados que podem custar dezenas de milhares de reais. Nessa área, tem-se desenvolvido grande gama de soluções empregando microcontroladores de código aberto, como no próprio caso deste trabalho, que trata do arduíno, o que permite, apesar de algum trabalho exigido em programação, enorme economia, considerando que um exemplar arduíno pode ser encontrado por algumas centenas de reais.

Outro ponto problemático do monitoramento de dados é o processamento das informações coletadas, que muitas vezes são restritas às empresas e órgãos envolvidos em seu processo, sem que haja integração com outras bases de dados. Com o advento das cidades inteligentes, esse problema deve ser mitigado, na medida em que houver intensa transmissão e conexão entre as diversas informações coletadas em tempo real nessas cidades.

 

Conclusão

 

Este artigo apresentou o monitoramento estrutural de obras civis num contexto histórico e panorâmico, de modo a situar melhor o leitor nos assuntos abordados pelos próximos artigos técnicos.

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Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo

Outros artigos da série

Referências

[1] ASSIS, W. S. Sistemas computacionais de apoio à monitoração de estruturas de engenharia civil. Tese (Doutorado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações. São Paulo, SP. 2007. 265p.

[2] NERY, G. O que é Monitoração na Construção Civil? Boletín Técnico nº 5 – Asociación Latinoamericana de Control de Calidad, Patología e Recuperación de la Construcción – ALCONPAT Internacional. 2013. 18p.

[3] Koh, H.M, Kim, S,.Choo, J.F. Recent Development of Bridge Health Monitoring System in Korea – Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring 2005 pp 33-42 

[4] BARELLA, R.; SEBASTIÃO, P. C. Filão inexplorado. Entrevista a Alberto Mawakdiye. Construção São Paulo, n. 2508, p. 4-7, mar. 1996.

Crédito para a Figura 1: Disponível em: https://gatesofnineveh.wordpress.com/2012/05/10/more-inventions-of-the-ancient-near-east/

Crédito para a Figura 2: Disponível em: http://historiauge.blogspot.com/2007/09/groma-romana.html

Crédito para a Figura 3: ASSIS, W. S. (2007)

Crédito para a Figura 4: ASSIS, W. S. (2007)

Crédito para a Figura 5: Arquivo IPT

Crédito para a Figura 6: Arquivo IPT

Crédito para a Figura 7: Arquivo IPT

 

 

Licença Creative Commons
Esta obra, “Monitoramento estrutural de obras civis utilizando a plataforma Arduino e sensores de baixo custo – Introdução“, de  Fabio Ioveni Lavandoscky, Diego Lapolli Bressan e Lucas P. G. Fernandes está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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