Monitoramento do comportamento estrutural e integridade de uma ponte durante processo complexo de reabilitação

Projetada em 1922 e inaugurada quatro anos depois, em 1926, a ponte Hercílio Luz serviu como a primeira conexão viária entre a Ilha de Florianópolis, parte do estado de Santa Catarina, Brasil. Implantada numa área marítima, há mais de 90 anos sofre com inimigos muitas vezes não vistos, incluindo a ação corrosiva do mar, o desgaste natural da estrutura e o aumento da carga e do número de veículos, que atingiu valores muito superiores àqueles existentes na época em que foi dimensionada.

Foram detalhados planos e ações de manutenção preventiva permanente, que permitiram que mantivesse mesmo após quase 90 anos, sua estrutura original. No entanto, isto não evitou que fosse interditada completamente desde 1991 devido às precárias condições em que a ponte se encontrava. Além de interditada, foi retirado da ponte o piso asfáltico do vão central para reduzir as cargas permanentes, um alívio de 400 toneladas sobre a estrutura.

Problema

Desde sua inauguração, a Ponte Hercílio Luz enfrenta diferentes inimigos. A ação corrosiva do mar, o desgaste natural da estrutura e, por fim, o aumento da carga e do número de veículos, muito superiores ao projetado para a ponte em 1926. Mesmo assim, com os serviços de manutenção preventiva permanente, a ponte manteve, após quase 90 anos, sua estrutura original. Agora, mais do que nunca, há a necessidade de recuperá-la com o desafio de manter a sua originalidade, desde a geometria aos detalhes de ligação entre peças.

Solução

Em um projeto que pode levar quase 3 anos, a empresa Teixeira Duarte foi contratada para a reabilitação integral da Ponte Hercílio Luz, incluindo a substituição de aparelhos de apoio nas torres principais, reforço e recuperação de fundações, reabilitação da estrutura metálica, substituição de barras de olhal, selas e cabos pendurais, incluindo trabalhos de transferência de carga. Aplicação de novos tabuleiros de circulação automóvel, pedonal e de motocicletas. Para este projeto, a empresa Teixeira Duarte decidiu utilizar a tecnologia HBM, incluindo sensores e interrogadores ópticos com tecnologia FBG para monitoramento de deformações em pontos críticos da estrutura, sensores elétricos para leitura de diversas grandezas, incluindo inclinação, temperatura, vento e corrente marítima. Tudo isso, aliado a serviços de engenharia para instalação de sensores, criação de scripts para monitoramento, gravação de dados e geração de alarmes, além de suporte remoto em caso

Resultados

A parte mais crítica do projeto que envolveu a transferência de carga do vão central da ponte para estruturas auxiliares foi executada com sucesso e há possibilidade de que a estrutura passe a ser monitorada de maneira contínua após o término da restauração.

Diagrama geral com os principais pontos onde ficaram instalados os sensores para monitoramento

Seções típicas de monitoramento, com representação dos extensômetros em azul. — A) barras de olhal (O’s);
B) apoios auxiliares inferiores (AI’s);
C) torres auxiliares (TA’s);
D) cordas inferiores (CI’s);
E) cordas superiores (CS’s)
F) diagonais de reforço (DR’s)

A arquitetura do sistema

Para a instrumentação da estrutura da ponte foi definida uma arquitetura híbrida que utiliza tanto sensores ópticos baseados em redes de Bragg (FBG), quanto sensores elétricos convencionais para grandezas diversas. Medição de deformações, temperatura, velocidade do vento e correntes marítimas fazem parte do sistema global de monitoramento. No total foram instalados 284 sensores ópticos adquiridos por 3 interrogadores da HBM FiberSensing. Aproveitando a rede óptica necessariamente instalada para transmissão de sinais dos sensores de redes de Bragg da HBM FiberSensing, integrou-se a comunicação dos sistemas PMX da HBM para a leitura dos sensores elétricos nos dois cabos multifibras com 24 vias cada, aplicados ao longo dos mais de 800m da ponte.

Em pontos estratégicos para a ligação de sensores, o cabo multifibras foi sangrado para se fazer a ligação individual de cada fibra aos sensores. Todas as ligações foram protegidas por caixas dedicadas ao longo da estrutura.

Para facilidade e velocidade do processo de instalação, requisito essencial para realização do projeto, os sensores ópticos foram entregues como cadeias de sensores pré montadas em fábrica. Foram escolhidos dois métodos diferentes de instalação dos sensores dependendo das peças estruturais onde estes seriam instalados. Sendo a ponte uma estrutura metálica, a escolha mais evidente era a de sensores para soldar por pontos. Para as treliças centrais e apoios auxiliares – peças que se mantêm na estrutura durante todo o projeto – foi essa a forma de instalação escolhida. Para barras de olhal - as peças a substituir - foram selecionados sensores de colar. As cadeias de sensores incluem tanto sensores de deformação como sensores de temperatura para compensação dos efeitos térmicos nas medições de deformação.

A atividade tecnicamente mais complexa é o procedimento de transferência de carga que consiste no alívio da tensão das barras de olhal permitindo a sua substituição sequencial. A execução deste procedimento implicou a instrumentação de vários pontos da estrutura metálica original e provisória com extensômetros e a aplicação de outros sensores elétricos como inclinômetros, e sensores climáticos fazendo o total de 312 sensores. A HBM apresentou a melhor proposta de fornecimento e instalação, conseguida através da utilização da tecnologia óptica para os sensores de deformação e para a transmissão de dados à central de comando, e uma metodologia de instalação em tempo recorde que foi exigida pelo cronograma físico da obra. Ricardo Martins, Engenheiro de Projeto, Teixeira Duarte

Sala de controle principal e rack com equipamentos de aquisição de dados

Sistema de aquisição

Na sala de controle temos a conexão dos equipamentos. Ambas as plataformas óptica e elétrica se comunicam por ethernet tendo sido a sua ligação realizada, de forma habitual em redes deste tipo, por switches de Ethernet ópticos.

Para o sistema global foram utilizados dois computadores: um focado na monitorização e registro dos dados contínuos 24 sobre 24 horas e outro trabalhando com o pós processamento dos dados já gravados. Foi utilizado o software catman para a aquisição, gravação e análise de dados, tendo sido criados vários scripts para automatizar certas tarefas como a geração periódica de relatórios e alarmes quer para operadores presentes no estaleiro quer para engenheiros que acompanham a obra remotamente e incluindo pessoal da própria HBM que é accionado para acesso remoto sempre que necessário.

A Importância das medições de deformação durante a reforma da ponte

Durante a reforma da ponte Hercílio Luz, algumas das etapas citadas acima são bastante críticas, onde podemos dar ênfase às transferências de carga no início e no final da restauração. Estas transferências de carga são os momentos onde o os macacos hidráulicos são acionados para erguer o tabuleiro da ponte, de forma que a carga que está suspensa pelas barras de olhal (na parte superior da ponte) passe a ser sustentada pela estrutura temporária inferior, que são as quatro “Torres de Apoio” ou “TAs”, que foram construídas para esta reforma. Em uma estrutura desta dimensão, e com danos severos como neste caso, uma alteração de carga deste tipo pode ocasionar uma falha estrutural na estrutura da ponte ou na estrutura temporária, e é neste ponto em que a instrumentação torna-se fundamental. Para garantir que o processo todo ocorresse com máxima segurança foram medidas as deformações na estrutura temporária, para avaliar se a carga estava sendo transferida de forma homogênea pela estrutura, e na estrutura da ponte para avaliar se os alívios de carga estavam ocorrendo conforme o esperado.

O processo de transferência de carga foi realizado em etapas, permitindo que após cada etapa os resultados fossem comparados com simulações numéricas pelos engenheiros responsáveis pela obra, de forma a confirmar que o comportamento da estrutura estava dentro do esperado.

Também foram realizadas medições de inclinação nas torres da estrutura temporária e nas própria ponte.

Outro ponto importante são as cargas geradas pelo vento e pela maré. Por tratar-se de uma ponte em região costeira, situada em um ponto de estreitamento entre a ilha e o continente, os ventos podem atingir velocidades elevadas, comprometendo os trabalhos de restauração. Por este motivo foram realizadas medições de vento de corrente marítima juntamente com todos os sensores de deformação e temperatura instalados ao longo da ponte.

Substituição da cela no topo da torre principal

Substituição dos dispositivos de suporte da torre

Substituição do tabuleiro do vão central

Above: Application of rivets Below: Strain gauges installed on eyebar (left) and upper rope (right) — Acima: Aplicação de rebites
Abaixo: Strain gauges instalados em barra de olhal (esq.) e cabo superior (dir.)

A escolha pela tecnologia óptica de medição de deformação

Para utilização de extensômetros elétricos em grandes estruturas onde um grande número de sensores é necessário, a quantidade de cabos elétricos torna-se um problema considerável, tendo em vista que os cabos de instrumentação são caros e volumosos. Além disso, medições com este tipo de sensor em distâncias de centenas de metros são poucos viáveis, devido à influência de ruídos eletromagnéticos nos longos cabos das instalações. Nestes casos, faz-se necessário espalhar os sistemas de aquisição de dados pela estrutura, o que é uma desvantagem devido ao risco de dano aos equipamentos, sem contar as dificuldades para conexão entre estes equipamentos e o sistema de armazenamento de dados.

Os sensores de fibra óptica apresentam enorme vantagens, como altos limites de fadiga, multiplexação e imunidade à interferências eletromagnéticas. A gama de strain gauges e sensores ópticos (FBG) da HBM FiberSensing são a perfeita escolha para aplicações de teste e medição com altas exigências. Conheça toda a gama de sensores ópticos oferecidos pela HBM aqui.

Princípio de funcionamento de sensores ópticos baseados em redes de Bragg. Apenas certos comprimentos de onda são refletidos e a variação da posição do pico da onda refletida pode ser convertida em valores da grandeza a ser medida.

A HBM demonstrou elevada competência durante a instalação de todo o sistema de monitoramento conseguindo cumprir o prazo estipulado para a conclusão do sistema, mesmo apesar das condições climatéricas adversas que ocorreram durante grande parte do período de instalação. Após o final da instalação a HBM prestou apoio direto nos primeiros meses de instrumentação, seguindo-se de um contrato de assistência técnica à distância que ficará em vigor até à conclusão da transferência de carga. A manutenção do sistema está a cargo do técnico da Teixeira Duarte formado pela HBM que se encontra em permanência na obra e da equipa de suporte à distância da HBM. Esta relação de cooperação tem permitido manter o sistema de monitoramento em funcionamento adequado, afirma Ricardo Martins.

Teixeira Duarte

Tendo iniciado a sua atividade em 1921, a Teixeira Duarte é hoje líder de um dos maiores Grupos Econômicos Portugueses.

Apoiada em seus valores estruturantes: o Engenho, a Verdade e o Compromisso, a Teixeira Duarte tem cumprido a sua Missão: Fazer, contribuindo para a construção de um mundo melhor.

O Grupo Teixeira Duarte conta atualmente com cerca de 10.500 colaboradores, em 18 países, em quatro continentes e desenvolvendo a atividade em seis setores diferentes como a Construção, as Concessões e Serviços, a Imobiliária, a Hotelaria, a Distribuição e o Automóvel.

Hoje, a Teixeira Duarte assume a responsabilidade da imagem que criou de uma empresa com grandes valias e pioneirismo na construção, onde as suas equipes e estruturas se interligam para um resultado final de reconhecida capacidade na concepção, inovação, construção e gestão de grandes projetos e empreendimentos.

Desde grandes infraestruturas como pontes, barragens, hospitais, estradas e outras obras públicas, aos grandes edifícios que marcam a nossa história, falar na Teixeira Duarte é hoje falar num excelente “know-how” e de uma presença constante no nosso dia-a-dia.

HBM FiberSensing

A HBM FiberSensing, S.A. pertence ao Grupo alemão HBM, líder mundial nas áreas de Teste e Medição, e dedica-se ao desenvolvimento e produção de sistemas ópticos baseados na tecnologia das redes de Bragg em fibra óptica (FBG) para aplicações avançadas de monitoramento.

Suportada por competências que vão desde a tecnologia de fibras ópticas à optoeletrônica, eletrônica digital e instrumentação, a empresa comercializa um vasto portfólio de sensores ópticos, interrogadores e aplicações de software, bem como soluções completas de monitoramento.

A HBM FiberSensing está situada em Portugal, operando a nível internacional através da rede global do Grupo HBM presente em mais de 80 países.