Monitoramento de ponte usando a tecnologia de medição da HBM

Ponte Zezelj, Novi Sad.
A nova Ponte Bridge em Novi Sad (em construção). Fonte: Shutterstock.com

A solução de monitoramento com 472 sensores fornece controle a longo prazo do desempenho da ponte

A Ponte Žeželj era uma ponte em forma de arco sobre o Rio Danúbio para tráfego ferroviário e de carros em Novi Sad, Sérvia. Foi construída em 1961 pelo famoso engenheiro civil, Branko Žeželj. Uma construção exclusiva de concreto pré-tensionado na época, muitas pessoas tinham dúvida sobre a durabilidade da construção. Então, para tranquiliza-los, Branko remou com um barco sob a ponte durante os testes de carga.

Entretanto, durante os bombardeios da OTAN em 1999, a ponte foi bombardeada em 12 ocasiões e, finalmente, após múltiplos acertos diretos, foi destruída em 23/04/1999. Era a última ponte de pé em Novi Sad durante a campanha “Operação Noble Anvil” da OTAN.

Uma nova ponte que conecta pessoas, países e economias

Uma nova Ponte Žeželj está sendo construída novamente e sua conclusão é esperada para o final de 2017. Seu projeto permanecerá similar ao da antiga ponte, mas os materiais consistirão de arcos de aço. Terá 474m de comprimento e terá duas vias férreas para um corredor internacional, bem como duas vias de circulação de carros e duas vias para bicicletas e pedestres.

A União Europeia está participando do financiamento deste projeto, uma vez que é uma via vital de transporte para os Estados Balcânicos e a União Europeia.


Estrutura mecânica de uma ponte
Estrutura mecânica da nova ponte (gráfico TRC)

Projetos modernos exigem de conceitos eficientes de monitoramento

O comportamento das pontes de via férrea e de tráfego exige um sistema de monitoramento mais complexo devido ao tipo e intensidade variante das cargas e também porque a segurança da estrutura da ponte é importante na vida cotidiana.

O Departamento de Engenharia Civil e Geotécnica (FTN – Faculty of Technical Sciences de Novi Sad), em cooperação com o TRC PRO (Technical Research Center) usam a tecnologia de medição da HBM para uma construção segura da nova Ponte de Tráfego de Via Férrea.

Monitoramento Estrutural é realizado através de diversas atividades que incluem observação, aquisição de dados, transferência e análise dos dados adquiridos por medição a longo prazo durante a exploração da ponte. A meta para o monitoramento da integridade estrutural da ponte é criar um banco de dados para acompanhar o comportamento da estrutura da ponte, a fim de evitar qualquer deterioração potencial na segurança e desempenho da ponte (capacidade de suporte, rigidez, facilidade de manutenção e durabilidade).


Seções críticas da ponte

Este projeto compreende uma configuração multicanal distribuída para observação permanente das seções críticas da ponte:

  • Análise experimental de tensão (teste de durabilidade): 4 zonas de média extensão, 8 zonas de apoio e 2 zonas durante o lançamento;
  • Medição de força em cabides: 12 suportes;
  • Deslocamentos verticais: 12 zonas de média extensão e 8 zonas de apoio;
  • Deslocamentos longitudinais: 4 zonas de apoio;
  • Inclinações: 12 zonas de média extensão e 9 zonas de apoio;
  • Parâmetros de aceleração, frequência e amortecimento: 12 zonas de média extensão e 9 zonas de apoio;
  • Medição da temperatura na estrutura da ponte: 12 zonas de média extensão e 9 zonas de apoio.
Strain gage instalado na ponte
Sensor de strain gage com compensação de temperatura aplicado diretamente na estrutura da ponte (imagem TRC)
Strain gage protegido
Ponto de medição de strain gage com capa de proteção (imagem TRC)
DAQ PMX na ponte
Posição do sistema de medição e controle PMX na nova ponte
Estrutura da ponte com PMX
Estrutura da ponte com o local dos sistemas de monitoramento PMX (marcado em vermelho)
Detalhe da construção e monitoramento
Detalhe da construção e monitoramento em uma zona de apoio

472 sensores instalados

O número total de sensores e transdutores instalados é de 472:

  • 328 strain gages da HBM (série LY41) em 14 seções (análise experimental de tensão);
  • 80 sensores de força (monitoramento de força nos cabides);
  • 12 transdutores de deslocamento em 4 seções de suporte móveis (para deslocamentos horizontais);
  • 32 inclinômetros biaxiais (para inclinação biaxial e deslocamento vertical a partir de medições de aceleração) com acelerômetros triaxiais embutidos;
  • Sensores de temperatura em 20 seções estruturais e uma seção da zona central do cais.
Sistema de Aquisição de Dados PMX
Sistema de Aquisição de Dados PMX

Tecnologia confiável de sensor

A instrumentação básica usada para medições são os strain gages, que são fixados diretamente na estrutura da ponte ou como elementos de sensibilidade nos sensores de força. Os sensores baseados em strain gages possuem a vantagem de alta estabilidade a longo prazo. Isso é importante neste projeto porque são operacionais durante todo o ciclo de vida da nova ponte e não é possível parar o monitoramento para recalibração.

Além disso, os strain gages da série LY41 da HBM, que são os usados nesta aplicação, oferecem uma boa compensação de temperatura, o que é uma obrigação, já que a estrutura enfrenta diversas condições climáticas e de temperatura.

Para a aquisição de dados, é usado o sistema PMX da HBM. 

Após a instalação, o ponto de medição é coberto para prevenir danos e interferência eletromagnética (EMI).

Ajustes podem ser feitos diretamente no ponto de medição

A medição e o sistema de aquisição de dados e controle têm de cumprir várias tarefas: medições rápidas e confiáveis, configuração fácil, cálculos em tempo real, informações de diagnóstico, sem necessidade de instalação de software adicional e preço competitivo. Tudo isso pode ser conseguido com o sistema de medição e controle PMX da HBM.

Como uma proteção adicional contra poeira e EMI, a unidade de aquisição de dados PMX foi montada em um gabinete, que é uma solução de baixo custo e também inclui a fonte de alimentação.

Em primeira instância, os sinais são adquiridos com taxa de amostragem de 19,2kHz, o que garante uma ampla largura de banda de medição e avaliação dos sinais de medição. Todos os ajustes no sistema PMX são feito via interface Ethernet padrão e o servidor web interno do PMX.

Esta solução oferece uma grande vantagem: os ajustes podem ser feitos diretamente no ponto de instalação ou via rede Ethernet na sala de controle, ou mesmo de forma remota, se uma rede WiFi estiver disponível. Então cada engenheiro é capaz de ter uma visão em tempo real da aplicação e o status do teste. Um controle integrado do operador evita operações não seguras.

PMX montado em um gabinete
Sistema de monitoramento PMX montado em um gabinete na estrutura da ponte (imagem RC)
Screenshot do servidor web do PMX
Visão geral do servidor web do PMX com sinais de medição, sinais calculados e sinais de I/O (HBM)

Construindo uma rede de monitoramento de condições

Os sistemas de monitoramento PMX funcionam por toda a ponte, que tem uma distância aproximada de 500 metros.  Mas para se conseguir resultados valiosos de medição, a taxa de amostragem de cada sistema PMX e de cada canal de medição deve ser sincronizado. Portanto, cada sistema PMX oferece uma opção de sincronização via rede Ethernet e protocolo NTP (Network-Time-Protocol), executando na rede.

Por outro lado, um servidor NTP precisa ser integrado, o que envia informações de data / hora em cada dispositivo PMX na rede.

O software de aquisição de dados usado neste projeto é o catman da HBM, um poderoso software para visualização, armazenamento e monitoramento de eventos. Este software também inclui um servidor NTP para sincronizar todos os sistemas PMX. Uma vez que o sistema foi configurado e está executando, a sincronização é na faixa de alguns microssegundos.

Poderosos cálculos em tempo real com as funções PMX Smart

Na segunda etapa, a informação desejada e relevante deve ser calculada em tempo real. Isso pode ser feito com as funções Smart do PMX, que podem ser usadas facilmente pelo operador sem a necessidade de quaisquer conhecimentos avançados do software. As funções Smart incluem diversas funções matemáticas como uma calculadora de bolso, funções lógicas, avaliações de processo até funções de controle, como controlador PID.

Diagnósticos em tempo real com o sistema de monitoramento PMX

Um diagnóstico detalhado e profundo é armazenado no arquivo LOG do PMX. Este arquivo é armazenado na memória interna do PMX. Abrange todos os futuros erros no dispositivo e na medição, bem como quaisquer mudanças na parametrização feita pelos operadores. Isso permite uma cobertura de 100% de todo o processo de teste e medição.

Coleta e avaliação de dados

A equipe de engenheiros definiu nos requisitos um DAQ e software fáceis de usar, robustos e poderosos. “O subsistema para processamento de dados (sistema de computador multifuncional para aquisição, transferência e processamento de dados) dos PMX da HBM usa um software amigável  personalizado para apresentação dos dados no catman”, diz Hotimir Licen da TRC PRO.

Com o catman, pode ser feito o completo armazenamento e visualização dos dados. Diferentes painéis gráficos de usuário e registros de dados podem ser configurados para diferentes tarefas de monitoramento. Além disso, é possível combinar um sistema de monitoramento de eventos com o envio de e-mail ou notificação para um celular. Isso fornece um feedback imediato da tarefa de monitoramento e o controlador da ponte pode reagir e definir a correta quantidade de veículos para regular o tráfego na ponte, a fim de diminuir a tensão na ponte.

Registro de dados com o PMX
Registro de dados com o PMX

“Descobrimos que o Servidor Web PMX é uma ferramenta muito útil para parametrização, configuração e controle. Não precisamos de qualquer software adicional e pode usar o browser padrão em nossos PCs, tablets ou smartphones. Além do mais, está disponível de forma permanente em tempo real por toda a área da ponte.”

Hotimir Licen da TRC PRO

Conceito de armazenamento de dados

Os requisitos englobam diversas tarefas. Para monitoramento de longo prazo, todos os dados dos sistemas PMX são transmitidos via rede Ethernet na ponte para o servidor de dados para avaliação e controle. Mas, como backup, cada PMX possui um registro interno de dados e armazena os dados com uma etiqueta em sua memória interna. Então, o dado de medição não se perderá em caso da rede Ethernet cair. Após o reestabelecimento da rede, os dados podem ser transferidos de cada estação PMX para o servidor de dados.

Bons resultados mesmo com verbas limitadas

Uma vez que a verba para monitoramento estrutural era limitada, a plataforma PMX foi escolhida como uma solução devido à sua excelente relação custo-benefício. De acordo com Hotimir Licen da TRC PRO, ela oferece as seguintes vantagens:

  • Excelente precisão e alta resolução;
  • A capacidade de medir eventos estáticos e dinâmicos;
  • Um sistema universal para strain gages e sensores indutivos;
  • Análise de tensão com compensação de temperatura em hardware para cada canal em configuração de ½ ponte;
  • Um sistema distribuído com interface Ethernet;
  • Uma medição sincronizada de todos os canais via sincronização de tempo NTP;
  • Uma operação autônoma com armazenamento de dados em um disco local USB no sistema PMX e acesso remoto por um PC com o software catman da HBM.