Medições dinâmicas em pontes suspensas

Finis Terrae - Um Caminho para o Fim do Mundo

A Carretera Austral, que pode ser traduzida livremente como Rodovia do Sul, é a infraestrutura principal da região de Aysén, no sul do Chile. Conhecida por suas paisagens espetaculares e clima particularmente severo, é uma grande atração turística para aventureiros internacionais e locais. 

A rodovia corre ao sul de Puerto Montt a Villa O'Higgins por cerca de 1.240 quilômetros, passando pela Patagônia rural. Essas áreas são escassamente povoadas e, no entanto, sem a Carretera, seus moradores não teriam conectividade terrestre com o norte do país. 

Além disso, sua agitada geografia acidentada e grandes rios - que na verdade trazem água durante todo o ano, ao contrário dos "rios" do norte do Chile - forçam a Carretera a ter grandes pontes suspensas ou suspensas sobre rios e balsas em fiordes maiores.

A maior parte da infraestrutura da Carretera Austral foi construída ou ampliada na década de 1990. Portanto, uma inspeção e análise minuciosas eram devidas. Para avaliar o estado atual das principais pontes suspensas da região de Aysén, o Ministério de Obras Públicas (MOP) está contratando empresas privadas, por meio de licitações públicas, para inspecionar, testar e verificar seus projetos. 

Sob este esquema, o MOP encarregou a grande construtora de estradas R&Q a avaliação das pontes Palena e Rosselot perto da cidade de La Junta. Por sua vez, a R&Q contratou a COWI para a avaliação do projeto estrutural, a MRH para a inspeção e a HochBau para as medições dinâmicas durante os testes de carga.

As pontes suspensas

A Palena e a Rosselot são pontes suspensas, com vãos livres de 150 m e 130 m respectivamente, e possuem duas torres metálicas, que sustentam os cabos. Suas pontes de concreto armado são sustentadas por hastes verticais que pendem dos cabos principais. Os tabuleiros são reforçados por duas treliças metálicas laterais de 2,1 m de altura. 

Os trabalhos de inspeção descobriram várias fraturas próximas às conexões das treliças do enrijecedor e vários outros defeitos. Além disso, ao contrário da maioria das pontes suspensas, os tabuleiros possuem várias juntas de dilatação ao longo do seu vão, que são irregulares e com arestas desgastadas.

Como parte dos testes de carga que foram realizados nas pontes, HochBau foi contratado para medir a resposta dinâmica das pontes. Os testes de carga foram realizados com um caminhão de carga de três eixos de 23 toneladas.

Três testes de carga foram definidos:

1. Teste de carga estática: O caminhão é estacionado a ¼, ½ e ¾ do vão da ponte, e a deflexão das pontes é medida com um nível de engenharia. 

2. Teste de Carga Dinâmica: O caminhão passa pela ponte em ambas as direções a 5 km/h, 15 km/h e 25 km/h enquanto são feitas medições dinâmicas. A resposta dinâmica é registrada durante esses testes.

3. Medições de Vibração Ambiente: As respostas das pontes são registradas sob excitação ambiente (vento, rio, baixo tráfego, etc.). Os resultados são usados ​​para determinar as frequências naturais e formas de modo (OMA)

Obstáculos - Trabalhando na Chuva

As medições durante os Testes de Carga Dinâmica e as Medições de Vibração Ambiente foram realizadas pela HochBau. Foi acordado com o cliente que seriam utilizados um total de seis pontos de medição de aceleração, em ambos os lados de ¼, ½ e ¾ do vão das pontes. Pelo menos as direções vertical e transversal tiveram que ser medidas em todos os pontos, e a direção longitudinal em pelo menos 2 pontos, perfazendo já pelo menos 14 canais.

Vários obstáculos tiveram que ser superados para o sucesso desta empreitada, principalmente:

1. Localização geográfica: La junta fica a 1415 km de Santiago, capital do Chile. Todos os sistemas de medição, ferramentas e todos os suprimentos tinham que ser levados de carro para lá. Era necessário um planejamento meticuloso; se alguma coisa ficasse para trás, não conseguiríamos em Aysén.

2. Pouco tempo inicial: a entrega do hardware leva seu tempo. A entrega em meio a uma pandemia e falta de chips e barras de alumínio demora ainda mais. Tendo apenas dois meses desde o aviso até a execução das obras no local do projeto, o tempo era apertado.

3. Estrutura flexível: Do lado técnico, uma decisão de qual tecnologia de sensor usar tinha que ser feita; Piezoelétrico, MEMs ou equilíbrio de força? Apesar de não conhecer as frequências naturais mais baixas das pontes, a intuição ditava que elas deveriam estar bem abaixo de 1 Hz.

4. Comprimento da ponte: As pontes não têm berma e, portanto, não há lugar na estrutura para uma pessoa registrar e monitorar as medições. O comprimento das pontes significava cabos longos. Se fossem usados ​​cabos analógicos, os DAQs teriam que ser aproximados dos sensores, pois o cabo mais curto poderia ter mais de 40 m.

5. Tempo de instalação: O sistema de medição teve que ser instalado e pronto para medir em pouco tempo, no mesmo dia em que ocorreriam os testes de carga. A pré-instalação do sistema não era uma opção, já que a chance de o equipamento ou os cabos serem roubados é real (pelo menos aqui na América Latina).

6. O Tempo!!!: O Chile é conhecido como um país em grande parte seco; ele ainda abriga o deserto mais seco do planeta . Mas, apesar disso, a região de Aysén compete com algumas das regiões mais chuvosas do mundo. Apesar de chover o ano todo por lá, os testes foram realizados em julho, no auge do inverno sul-americano. Baldes de água caindo do céu e temperaturas quase congelantes eram garantidos

Adequado para condições difíceis

Levando em conta todos os aspectos mencionados anteriormente, algumas decisões tiveram que ser tomadas - tanto práticas quanto técnicas. Os acelerômetros tinham que ter uma componente DC (ou seja, 0 Hz), devido às baixas frequências a serem medidas e, portanto, os sensores piezoelétricos foram descartados como opção. 

Entre os sensores MEMS e Balanço de Força, o último oferece uma faixa dinâmica muito maior e teria sido nossa primeira escolha ao medir um edifício muito alto ou isolado na base. No entanto, para os testes dinâmicos, ambos são adequados. Mas a relação sinal-ruído seria suficiente para medições de vibração ambiente? 

Para esta campanha, sabíamos que a excitação do ambiente externo seria grande o suficiente, mesmo para a faixa dinâmica de 90 dB dos MEMs. Mas depois há a questão do cabeamento. Se sensores analógicos fossem usados, os DAQs teriam que se aproximar dos sensores; ter 14 cabos entre 45 m e 105 m de comprimento não era uma opção, devido ao custo e ruído adicional que os cabos infeririam nos sinais medidos.

Felizmente, uma solução prática de medição econômica estava à mão. O IOLITE 3xMEMS-ACC combina um acelerômetro MEMS triaxial de baixo ruído e um módulo ADC (ou seja, DAQ local) em um único equipamento relativamente pequeno . Como as grandezas medidas são digitalizadas no sensor, os resultados são consultados digitalmente através do protocolo EtherCAT via cabos ethernet (CAT5e ou CAT6).

O protocolo EtherCAT tem a vantagem de sincronização inerente ao tempo entre todos os sensores e também permite conectar os sensores em série ou, com um switch Beckhoff EtherCAT, em ramais. Além disso, os sensores suportam Power Over Ethernet (PoE), que permite alimentar o sensor através do mesmo cabo que transporta os dados consultados, sem ter que levar cabos longos para cada sensor. 
Mas para completar tudo isso e fazer a escolha de usar esses sensores um acéfalo, foi o fato de que eles podem ser comprados em uma carcaça de alumínio IP67! Mesmo sendo estanque, este último necessita que o cabo de rede passe pelos prensa-cabos à prova d'água antes de cravar o conector RJ45 e então a tampa da carcaça de alumínio pode ser fechada.

Agora, não fique muito animado com tudo isso ainda. Lembra-se do problema de entrega/cadeia de fornecimento? O prazo de fabricação e entrega da Dewesoft, em tão pouco tempo, só permitiu a entrega de três MEMs à prova d'água. Felizmente, nosso fornecedor local Varitec nos alugou três MEMs internos. 

Agora estávamos reduzidos a apenas dois problemas: 

• como impermeabilizar os três MEMs internos e 

• como evitar a abertura e crimpagem no local dos cabos ethernet dos três MEMs à prova d'água? 

Este último também levaria muito tempo no local! Bem, tivemos que ir à velha escola, envolvendo os MEMS internos em papel alumínio e pré-instalando cabos ethernet de 30 cm nos MEMs à prova d'água. 

A conexão com os cabos mais longos foi então feita através de acopladores RJ45. Devido à rugosidade do tabuleiro de concreto, os MEMS foram fixados em chapas grossas de aço que foram aparafusadas ao tabuleiro da ponte.

Com tudo isso dito, apenas o layout do sistema estava faltando. Em conjunto com a Área de Suporte Técnico da Varitec, optou-se por uma arquitetura em cadeia, ao longo de uma linha CAT6 de 250 m, em detrimento de uma arquitetura de ramal, uma vez que apenas um PoE e nenhum switch EtherCAT seriam necessários desta forma. 

A Figura 7 abaixo mostra onde os sensores foram localizados e como os cabos foram dispostos, usando a Ponte Palena como exemplo. O cabo foi cruzado do terceiro ao quarto MEM através das juntas de dilatação. O software de medição tinha que residir em um notebook em local seco e seguro, então um carro (SUV) foi estacionado próximo às entradas das pontes (estação de controle) de onde o sistema também era alimentado por um gerador móvel a gasolina.
the bridges (control station) from where the system was also powered using a gasoline mobile generator.

Mas ainda havia um último problema. Do carro, o engenheiro de medição não teria visibilidade do convés da ponte e estaria trabalhando às cegas sem ver a passagem do caminhão, apenas confiando na comunicação via rádio. Para isso, uma webcam USB foi colocada nas entradas das pontes e integrada ao ambiente DewesoftX. A distância de 15 m até as pontes foi superada com um extensor USB over Ethernet.

Os problemas e os resultados da medição

Conforme mencionado anteriormente, foram feitas medições do caminhão em movimento em diferentes velocidades e medições de vibração ambiente.

As medições durante os testes de carga dinâmica mostraram que os valores RMS da resposta das pontes aumentam linearmente com a velocidade e são maiores na direção vertical (em torno de 0,01 g a 25 km/h). No entanto, pode-se observar também que há sempre vários impactos durante a passagem do caminhão, independentemente da velocidade, com fatores de crista de até 14, chegando a 0,15 g na direção vertical e 0,06 g na direção lateral. 

Concluiu-se, por meio de observações da filmagem sincronizada da webcam, que os impactos foram causados, ou pelo menos amplificados, pelas juntas de dilatação irregulares e desgastadas.

Com os registros da vibração do ambiente, foram determinadas as frequências naturais e as formas modais das pontes. A ponte Palena é usada como exemplo, veja as figuras 9-11. O primeiro modo horizontal foi bem inferior ao previsto pelo modelo estrutural de elementos finitos, mas isso era esperado ao contabilizar as deficiências estruturais que foram identificadas durante a inspeção visual.

Além disso, os três primeiros modos verticais foram claramente identificados. Esses resultados foram uma entrada valiosa para os engenheiros estruturais calibrarem seus modelos de elementos finitos para análise e avaliação de possíveis opções de retrofit. 

Conclusão

Resumindo, as campanhas de medição podem diferir muito dependendo do local. Assim que a chuva forte em locais remotos entra em ação, todos os detalhes da arquitetura do sistema e da logística precisam de um cuidado ainda maior.

As medições dinâmicas dos testes de carga com o caminhão mostraram-se valiosas para os engenheiros estruturais avaliarem a condição atual das pontes suspensas. As possíveis propostas de retrofit e sua vida útil aumentada serão avaliadas com um modelo calibrado de elementos finitos e não apenas teórico, graças aos dados adquiridos.

Esta campanha de campo destaca a importância de monitorar pontes e outras infraestruturas críticas. Com o custo decrescente da tecnologia e o aumento da conectividade, mesmo em locais remotos (vamos falar sobre redes móveis 5G e Starlink), visamos o projeto de Sistemas de Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) contínuos e permanentes para as pontes de hoje e de amanhã .

PS: Um sistema expandido incluindo medidor de tensão e RTDs de temperatura foi usado recentemente para medições em duas outras pontes suspensas, mais abaixo na Patagônia.