Otimização de estruturas com sistemas de monitorização contínua
A importância da identificação de ativos críticos
Nas últimas décadas tem-se vindo a assistir a um aumento contínuo da quantidade de estruturas de engenharia civil, bem como das solicitações que lhes são impostas. As obras de arte estão sempre sujeitas a vários fatores e impactos internos e externos, que podem causar desgaste ou mau funcionamento. Fadiga, manutenção inadequada, construção incorreta ou falta de controlo de qualidade constituem as maiores causas de danos em muitas estruturas existentes, contribuindo para o aumento do seu nível de deterioração.
Para além disso, estruturas existentes têm vindo a suportar um aumento acentuado de cargas aplicadas, impactos ou sobrecargas ambientais, levando a estados de tensão diferentes e a riscos de falha na estrutura.
Por outro lado, o aumento da complexidade e dimensão das estruturas impõe maiores desafios ao dimensionamento e técnicas de construção das estruturas, tornando mandatória a avaliação do seu desempenho como garantia de segurança.
A evolução e os avanços das tecnologias de materiais e de construção, bem como os requisitos de utilização das novas estruturas, também determinam a necessidade de validar métodos e desenhos de construção inovadores e sofisticados.
Todos estes fatores potenciam um aumento dos custos de Operação e Manutenção (O&M) e ações de reparação dispendiosas que comprometem o retorno do investimento.
Em última análise, tornou-se óbvio que é necessário reagir de forma preventiva e adotar melhores práticas de manutenção. Exemplo disso é o desenvolvimento de soluções com uma boa relação custo-benefício para a deteção precoce de danos em ativos críticos.
Utilizando a melhor abordagem de manutenção
De acordo com um relatório do McKinsey Global Institute, The Internet of Things: Mapping the Value Beyond the Hype, a manutenção preventiva poupará às empresas e fabricantes milhares de milhões de dólares no ano de 2025.
Ainda assim, a realidade prova exatamente o contrário. As inspeções visuais continuam a ser a prática corrente de monitorização da integridade de uma estrutura, sendo na maior parte das vezes pouco frequentes e, por definição, superficiais.
O argumento de que a manutenção é dispendiosa e não um requisito básico, na prática dissipa-se rapidamente quando ocorrem danos numa infraestrutura crítica.
Com a maioria das indústrias a optar ainda pela manutenção reativa (operação até haver falha), a melhoria das técnicas de inspeção e o desenvolvimento de sistemas de previsão de danos, com custos mais baixos de O&M, surgem atualmente como prioridades na agenda da gestão das estruturas.
A resposta parece estar na observação contínua do comportamento das estruturas (e dos seus componentes) durante um longo período de tempo com a deteção automática de falhas nos ativos críticos.
Na verdade, as soluções de monitorização permanentes podem avaliar a integridade de uma estrutura e fornecer informações sobre a carga resultante (cargas de tráfego, forças do vento, mudanças de temperatura e outras influências), evitando tempos de inatividade e acidentes dispendiosos no futuro.
Figura 1 > Ponte colapsada
Fonte: https://pixabay.com/de (domínio público)
Benefícios da monitorização estrutural contínua
A monitorização contínua da integridade estrutural, através de medições de curto ou longo prazo, também referida como Monitorização da Saúde Estrutural, é reconhecida atualmente pelos seguintes benefícios:
- A deteção atempada de anomalias, que permite uma implementação mais eficiente de ações de manutenção e reparação, com impacto direto na redução dos custos operacionais;
- A automação da manutenção, sinónimo de redução de tempo de inatividade para trabalhos de reparação e reforço, o que requer menor investimento em equipamentos e capital;
- Uma melhor perceção do comportamento real da estrutura o que contribui para garantir sua segurança global.
A saúde estrutural pode ser monitorizada com recurso a sistemas de deteção fiáveis e completos, como os que recorrem a sensores interligados por redes a sistemas de aquisição de dados equipados com software dedicado. Esses sistemas permitem, entre outras, as seguintes funções:
- Monitorização contínua de dados em tempo real;
- Um diagnóstico preciso de parâmetros estruturais, analisando fatores como vibração, tensão, deslocamento e temperatura;
- A deteção automática de anomalias e avarias com resultados exatos de medição;
- Relatórios de dados e geração de alarmes.
Quando devidamente programados, estes sistemas podem ainda apresentar recomendações sobre ações de manutenção estrutural necessárias.
Em último caso, a implementação de um sistema de identificação de danos torna-se crucial na gestão de obras de arte, com soluções avançadas de monitorização a emergir como um fator chave durante todo o ciclo de vida da estrutura, desde o projeto, construção e operação até à sua reabilitação ou fim de vida de útil.
É imperativo que os proprietários, integradores e operadores percebam a importância de monitorizar as suas estruturas, a fim de promoverem uma manutenção mais eficiente. Os responsáveis devem estar conscientes do alcance das soluções disponíveis no mercado para melhores tomadas de decisão.
Desafios da monitorização da saúde estrutural
Espera-se que os sistemas de monitorização funcionem por períodos prolongados de forma fiável, mesmo em condições adversas. Fatores críticos como o tamanho da estrutura, a localização, o ambiente e a complexidade da rede podem surgir como verdadeiros desafios:
- Na maioria das aplicações de monitorização estrutural, é necessária a existência de uma referência inicial da estrutura, em condições normais, para que o dano possa ser identificado. Sem um sistema estável as medições não se relacionam entre si e a referência é perdida.
- A localização em locais remotos e expostos a ambientes agressivos - iluminação, humidade, sal, poeira, vibração e radioatividade - também pode prejudicar a estabilidade dos sistemas e comprometer as medições.
- Por vezes, o sistema de monitorização tem de vencer grandes distâncias, com sensores distribuídos por toda a estrutura e separados por quilómetros, constituindo um verdadeiro desafio. Em paralelo, a combinação de vários sensores com taxas de amostragem altas e com total sincronismo aumenta o grau de complexidade da solução.
- Se a aplicação envolver um grande número de sensores, a passagem de cabos e execução de ligações tornam a instalação do sistema um processo moroso.
As tecnologias óticas, como as de redes de Bragg em fibra ótica, por exemplo, surgem como opções viáveis ??e promissoras para enfrentar tais desafios. As características intrínsecas dos sensores de fibra ótica conseguem suportar as dificuldades próprias das grandes redes de sensores e ambientes perigosos.
Para simplificar e ultrapassar os obstáculos em torno da monitorização, o Grupo alemão HBM desenvolveu diferentes soluções de medição (elétricas ou de base ótica) que combinam hardware e software. A abordagem preconizada é a de selecionar a melhor opção para cada caso.
A empresa é especialista em soluções personalizadas para o mercado de monitorização, que integram sensores com sistemas de aquisição de dados e serviços com aquisição de dados. Além disso, combinações híbridas sincronizadas de instrumentos elétricos e óticos podem ser especificamente configuradas para preencher as diretrizes de certas aplicações (Figura 2). No caso dos sistemas óticos, o seu desenvolvimento e produção estão concentrados numa subsidiária portuguesa da HBM, instalada no norte de Portugal, a HBM FiberSensing (Figura 3)
Figura 2 > Exemplo de cabine de monitorização da HBM
Figura 3 > Produção de interrogadores óticos, na HBM FiberSensing, Maia, Portugal
Com experiência em medições de deformação e em Análise Experimental de Tensões (ESA – Experimental Stress Analisys), baseados nas principais tecnologias de medição, a HBM oferece uma gama de produtos para os seguintes exemplos de aplicação:
- Monitorização estrutural de longa duração com transmissão automática de dados e geração de alarmes;
- Testes de carga estáticos e/ou dinâmicos para análise do comportamento à fadiga e previsão do tempo de vida útil;
- Teste de materiais (por exemplo, análise de comportamento de betão ou compósito) para técnicas de reforço;
- Análise experimental de métodos de construção;
- Validação de dimensionamento e de modelos à escala;
- Calibração de modelos.
A atividade da empresa na área da implementação e operação de sistemas de monitorização é transversal a uma ampla variedade de estruturas. Alguns exemplos são túneis, pontes, caminhos-de-ferro, parques eólicos e centrais nucleares. Existem, hoje em dia, diversas monitorizações activas em todo o mundo implementadas e mantidas pela empresa.
A estratégia seguida pela HBM está em linha com os avanços metodológicos já referidos que elevam os benefícios da monitorização contínua através da automação de sistemas. O objetivo último passa pela disponibilização de soluções que façam face às necessidades de uma manutenção otimizada para maximizar resultados através da utilização de recursos mínimos, acompanhando a tendência atual.
Autora
Cistina Barbosa, Gestora de Produto da HBM FiberSensing
Outros artigos que lhe podem interessar