Monitorização da Saúde Estrutural da Ponte de Betão Protendido na Suécia

Enquanto pesados caminhões de mineração cruzam a envelhecida ponte Autio, no norte da Suécia, os engenheiros procuram compreender as suas vulnerabilidades ocultas. Construída em 1963, a ponte é agora monitorizada de perto por uma rede de avançados dispositivos Dewesoft de aquisição de dados feitos sob medida, transformando-a num laboratório vivo. O ato final da ponte: ensinar as futuras gerações a gerir, manter e projetar infraestruturas mais seguras e mais inovadoras.

À medida que a infraestrutura da Suécia enfrenta uma pressão crescente devido às exigências modernas, a envelhecida ponte Autio, frequentemente atravessada por camiões pesados de mineração, tornou-se tanto um desafio estrutural como uma valiosa oportunidade de investigação.

Engenheiros da Universidade Técnica de Luleå e da Dewesoft Suécia transformaram esta ponte de betão pré-esforçado, já com fissuras, num laboratório de monitorização em escala real. Equiparam-na com sensores de alta precisão para estudar o seu comportamento sob carga e stress climático. O projeto não só garante a segurança pública, como também apoia o desenvolvimento de ferramentas digitais preparadas para o futuro na gestão de pontes a nível nacional.

Uma ponte dos anos 60

Projetada e construída pela Byggnads AB Contractor em 1963, a ponte Autio é uma estrutura contínua de três vãos com cerca de 135 metros de comprimento sobre o rio Torne. O seu projeto utilizou a técnica inovadora, para a época, do pré-esforço. Imagine como um edifício feito de blocos atravessados por um enorme elástico invisível que os comprime firmemente entre si.

No betão, o pré-esforço consiste em introduzir cabos de aço de alta resistência, chamados tendões, através de condutas no interior das vigas de betão e depois tensioná-los antes de os ancorar, colocando o próprio betão sob compressão.

O betão é excelente a suportar forças de compressão, mas é fraco quando sujeito à tração. No entanto, ao aplicar compressão previamente, o betão consegue resistir às forças de tração que a flexão e as cargas normalmente criariam, permitindo vigas mais longas e mais esbeltas do que no betão armado tradicional.

A ponte Autio utilizou um sistema específico chamado BBRV, em que cada cabo era composto por 32 fios finos de aço, semelhantes a vários arames robustos agrupados.

As vigas principais da ponte são robustas, com aproximadamente 0,7 a 1,0 metros de largura e mais de 2 metros de altura em alguns pontos, suportando um tabuleiro de betão. O próprio betão foi especificado como bastante resistente para a época, com uma resistência à compressão de cerca de 45 MPa (K450) nas vigas e 30 MPa (K300) no tabuleiro. As principais barras de armadura de aço eram Ks40 (resistência ao escoamento de 400 MPa) nas vigas e Ks60 (resistência ao escoamento de 600 MPa) na laje do tabuleiro.

Enquanto os cabos principais de pré-esforço fornecem a resistência principal à flexão, barras de aço menores, chamadas estribos, são colocadas verticalmente no interior das vigas. A função principal destes estribos é ajudar o betão a resistir a forças que tentam cortar a viga, conhecidas como forças de corte.

No projeto original da ponte Autio, os engenheiros acreditavam que o pré-esforço e o próprio betão suportariam a maior parte dessas forças de corte, pelo que incluíram apenas estribos mínimos, barras finas de Ø10 mm espaçadas a cada 250 mm. Este detalhe aparentemente menor viria mais tarde a tornar-se um elemento crucial na história da ponte.

O desafio: camiões de mineração pesados

Nos últimos anos, engenheiros que inspecionaram a ponte Autio começaram a notar fissuras finas, quase horizontais, a aparecer nas vigas principais. Estas não eram imperfeições superficiais aleatórias, eram significativas, estendendo-se ao longo das vigas, frequentemente paralelas aos cabos de pré-esforço. Inicialmente, em 2014, foram identificadas cerca de 20 fissuras, normalmente com espessura muito fina. No entanto, em setembro de 2020, o número tinha aumentado para aproximadamente 60, algumas atingindo larguras de até 0,5 mm e estendendo-se por impressionantes 33 metros.

Porque é que esta sólida ponte de betão estava a fissurar? Os engenheiros suspeitam de várias razões:

• Pressupostos de projeto antigos

Os engenheiros da década de 1960 poderão ter sobrestimado a capacidade do betão para resistir a forças de tração em corte, em comparação com o que as normas modernas reconhecem.

• A passagem do tempo e o clima rigoroso

O betão altera-se ao longo das décadas. Processos naturais, como a retração e a fluência, ou seja, deformação lenta sob carga contínua, podem modificar a distribuição de tensões. Além disso, a ponte Autio, no norte da Suécia, situa-se numa região com variações extremas de temperatura. O betão expande-se repetidamente no calor do verão e contrai-se nos invernos rigorosos. Esta grande variação térmica, potencialmente superior a 60 °C por ano, provoca tensões significativas na estrutura.

• Perdas de pré-esforço

Embora concebidas para manter a tensão, as forças de pré-esforço podem diminuir gradualmente ao longo do tempo devido à relaxação do aço e à fluência ou retração do betão. Se o “elástico” afrouxar ligeiramente, o betão fica com menos compressão protetora.

Todos estes fatores combinam-se para criar tensões de tração. Quando essas tensões excedem a limitada resistência à tração do betão, surgem fissuras. E é aqui que os estribos mínimos voltam a ter importância, não são suficientemente robustos para manter estas fissuras fechadas e impedir a sua propagação.

A agravar a situação está a mudança na natureza do tráfego. A Administração Sueca dos Transportes, Trafikverket, responsável pela rede rodoviária do país, é proprietária da ponte Autio. No entanto, um dos principais utilizadores é a empresa mineira Kaunis Iron, cujos camiões pesados, com até 90 toneladas, transportam minério de ferro através do rio.

Estes camiões, muito mais pesados do que os veículos padrão de 1963, exercem forças que ultrapassam a capacidade de projeto da ponte. Embora as avaliações indiquem que a ponte provavelmente possui capacidade suficiente para suportar esforços de flexão, a passagem repetida de cargas tão pesadas impõe tensões enormes à estrutura interna, testando especialmente a sua capacidade ao corte e a vida à fadiga dos estribos delgados.

A fadiga é semelhante a um material a “cansar-se”, ciclos repetidos de tensão, mesmo abaixo do limite de resistência para uma única carga, podem causar danos microscópicos que acabam por levar à falha. Os engenheiros receiam que os estribos constantemente solicitados sejam suscetíveis a este tipo de falha.

A ponte sob microscópio, monitorização da integridade estrutural

Para compreender as dificuldades ocultas da ponte, os engenheiros instalaram um sistema de monitorização sofisticado para analisar as respostas estruturais.

• Extensómetros: pequenos sensores, colados diretamente na superfície do betão ou, mais importante, soldados por pontos às armaduras de aço, medem a deformação, tração ou compressão, do betão ou do aço.

• Sensores de deflexão: dispositivos como o sistema Noptel medem o grau de flecha das vigas sob o peso do tráfego.

• Monitorização de fissuras: medições regulares acompanham se e como as fissuras visíveis evoluem.

• Sensores de temperatura: instalados para distinguir alterações de tensão causadas por variações térmicas das provocadas por problemas estruturais.

Este sistema de monitorização, com a sua cablagem complexa e unidades de aquisição de dados, fornece um fluxo contínuo de informação. A razão para monitorizar esta ponte específica é multifacetada. Por um lado, é necessária uma avaliação imediata da segurança, dadas as fissuras e as cargas elevadas. Por outro, constitui uma valiosa oportunidade de investigação para estudar o comportamento a longo prazo de uma ponte de betão pré-esforçado envelhecida, construída segundo normas antigas, especialmente a sua capacidade ao corte e o desempenho à fadiga sob condições modernas de tráfego e clima.

Da reparação à substituição

Durante algum tempo, a monitorização revelou um aumento lento e esperado na largura das fissuras e níveis relativamente baixos de tensão nas armaduras de aço, mesmo com a presença de camiões pesados em condições normais de tráfego.

No entanto, no início de novembro de 2020, o sistema detetou alterações preocupantes, dados que indicavam que algo invulgar estava a acontecer. Embora a causa exata, possivelmente novas fissuras ou problemas nos próprios sensores, tenha sido imediatamente investigada, a incerteza e as potenciais implicações de segurança eram demasiado significativas. Como medida de precaução, a Trafikverket interrompeu o tráfego na ponte Autio a 11 de novembro de 2020.

Após avaliações detalhadas, incluindo a análise dos documentos de projeto originais e cálculos recentes, os engenheiros confirmaram que, embora a capacidade à flexão parecesse suficiente, os problemas potenciais relacionados com a capacidade ao corte e a fadiga dos estribos eram preocupações reais, diretamente ligadas às fissuras observadas.

Estas conclusões, juntamente com os desafios a longo prazo relacionados com a idade da ponte, as suas vulnerabilidades de projeto e as crescentes exigências do tráfego pesado moderno, levaram a uma decisão importante. Apesar de a análise detalhada não indicar perigo imediato, o plano a longo prazo passou de um possível reforço para a substituição completa da ponte.

As autoridades decidiram que a ponte Autio será demolida e removida, dando lugar a uma nova ponte no mesmo local. A demolição terá início em meados de junho de 2025.

Monitorização para o futuro

A ponte Autio, enquanto objeto de estudo, não deixou de ser relevante após o encerramento ao tráfego em 2020 ou a decisão de a demolir. Os engenheiros viram uma oportunidade para obter ainda mais dados valiosos nos seus anos finais, transformando a sua retirada iminente numa lição para a gestão futura de pontes.

Após o encerramento em 2020, foram instalados sensores adicionais. Entre eles, 16 acelerómetros posicionados estrategicamente ao longo do tabuleiro. Estes não serviam apenas para monitorizar a segurança diária, tinham também um duplo propósito crucial para esta fase final da vida da ponte e para o futuro.

Os engenheiros instalaram cuidadosamente estes pequenos e sensíveis dispositivos diretamente na superfície da ponte. Para garantir uma fixação segura, foram montados em placas metálicas robustas aparafusadas diretamente à estrutura de betão, ver Figuras 5, 6 e 7. O processo de instalação foi notavelmente eficiente, tendo sido necessário apenas um dia para que dois engenheiros fixassem todos os 16 acelerómetros e a respetiva cablagem ao longo do tabuleiro da ponte.

Estes acelerómetros fazem parte de um sofisticado sistema de monitorização da Dewesoft. Uma vantagem significativa deste sistema é a utilização da tecnologia EtherCAT, que permite ligar os acelerómetros em cadeia.

Assim, múltiplos sensores podem ser ligados em série, simplificando drasticamente a cablagem. Em vez de passar cabos individuais desde cada um dos 16 acelerómetros, o sistema EtherCAT requer apenas dois cabos, que funcionam como ligações de entrada, até à unidade central de aquisição de dados (DAQ), instalada de forma conveniente no encontro da ponte, ver Figuras 9 e 10.

Esta rede otimizada de 16 acelerómetros fornece uma visão abrangente de como toda a ponte vibra e se movimenta, ver Figura 12, vista superior dos acelerómetros. O DAQ recolhe dados de todos estes canais, ver Figura 13, sensores dispostos antes da instalação.

Os sensores IOLITE 3xMEMS

Mais especificamente, selecionámos o acelerómetro uniaxial IP67 da família de sensores IOLITE 3xMEMS. Trata-se de uma família de dispositivos de aquisição de dados com um acelerómetro MEMS triaxial incorporado, conversão analógico-digital e interface EtherCAT, todos baseados na plataforma modular de DAQ IOLITE.

Os dispositivos Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-ACC apresentam um desempenho de ruído muito baixo. O IOLITEi 3xMEMS-ACC tem uma densidade espectral de ruído de 25 µg/√Hz, enquanto o IOLITEi 3xMEMS-ACC-S apresenta uma densidade ultrabaixa de 0,7 µg/√Hz. Este desempenho é comparável ao dos melhores acelerómetros de equilíbrio de força.

Os IOLITEi 3xMEMS-ACC são acelerómetros com resposta DC, capazes de medir acelerações estáticas a partir de 0 Hz. Os cálculos no software DewesoftX permitem determinar velocidade e deslocamento, bem como ângulos estáticos de inclinação e rotação, a partir dos valores de aceleração DC.

Os IOLITE 3xMEMS são dispositivos baseados em EtherCAT e sincronizados até 1 μs entre dispositivos. Esta sincronização é essencial para realizar Análise Modal Operacional, permitindo compreender a dinâmica estrutural, incluindo frequências naturais, formas modais e rácios de amortecimento.

Vários dispositivos podem ser facilmente distribuídos e sincronizados ao longo de grandes estruturas utilizando um único cabo CAT6 de baixo custo, com distâncias até 100 m entre nós. Com o uso de conversores óticos, é possível cobrir distâncias superiores a 20 km mantendo uma sincronização de 1 μs.

A caixa com proteção IP67 está disponível para todas as configurações e permite operação numa ampla gama de temperaturas, de -50 °C a 65 °C.

Um cabo de rede Ethernet padrão permite a ligação em cadeia dos dispositivos. Recomenda-se a utilização de cabo blindado, SFTP, CAT5e, com espessura mínima de 24 AWG e quatro pares de fios. A distância máxima entre nós é de 100 m, conforme ilustrado na Figura 14.

É necessário um injetor de alimentação PoE passivo para combinar o sinal EtherCAT e a alimentação num único cabo. O IOLITE power injector é um dispositivo industrial com proteção integrada contra surtos e picos de tensão.

A grande quantidade de dados gerada por este sistema é processada e disponibilizada de imediato através da poderosa plataforma de software DewesoftX. Esta plataforma permite que engenheiros e investigadores visualizem os dados dos sensores em tempo real, observando as vibrações e respostas da ponte à medida que ocorrem, ver Figuras 11 e 12, que mostram a interface do DewesoftX. Esta capacidade em tempo real é crucial tanto para a monitorização imediata como para uma análise detalhada, ver Figura 15.

Estes acelerómetros não serviam apenas para monitorizar a segurança diária; tinham um duplo propósito crucial para esta fase final da vida da ponte e para o futuro:

• Captar o “pulso” e os modos da ponte: medem a resposta dinâmica global da ponte, ou seja, como toda a estrutura vibra e se movimenta quando sujeita a forças dinâmicas, como vento, variações de temperatura ou ruído ambiente. Estes dados ajudam os engenheiros a compreender as frequências naturais e os modos de vibração da ponte, essencialmente a sua “impressão digital” estrutural em movimento.

• Apoiar projetos futuros: os engenheiros utilizam este conjunto rico de dados para atualizar e refinar os modelos computacionais detalhados da ponte desenvolvidos durante a fase de avaliação. Compreender exatamente como a ponte se comporta é informação vital para planear operações complexas, como a sua demolição. Permite prever as respostas estruturais ao remover secções, garantindo um processo seguro e controlado. Além disso, os dados recolhidos desta estrutura envelhecida e fissurada constituem um estudo de caso único para validar modelos utilizados na avaliação e conceção de outras pontes no futuro.

A iniciativa “Digital Bridges”

O nosso trabalho na ponte Autio faz parte de um projeto mais amplo e ambicioso, que visa revolucionar a gestão de infraestruturas envelhecidas. Conhecido como projeto Digital Bridges, o seu objetivo é criar uma plataforma e um sistema holístico para manutenção preditiva e gestão do ciclo de vida de pontes na Suécia e além. Este sistema integra dados de múltiplas fontes, ultrapassando as inspeções tradicionais e adotando uma abordagem baseada em dados.

O conceito central da plataforma Digital Bridges baseia-se na compreensão de uma ponte em três níveis distintos e interligados:

• Nível do elemento: este é o nível mais detalhado, focado em dados de sensores colocados diretamente nos componentes individuais da ponte, como extensómetros soldados nas armaduras (FTG-ARM), acelerómetros no tabuleiro ou sensores de temperatura. Estes dados fornecem informações em tempo real sobre o estado e o comportamento de partes específicas.

• Nível do componente: este nível agrega dados e informações sobre os principais componentes estruturais ou sobre a ponte como um todo. Inclui fontes tradicionais, como relatórios detalhados de inspeção e desenhos de projeto, juntamente com ferramentas modernas, como o Modelo de Elementos Finitos (FEM), que funciona como um gémeo digital da ponte. As análises estruturais globais são realizadas neste nível para compreender a capacidade e o comportamento geral.

• Nível da rede: Neste é o nível mais abrangente, que inclui fatores externos que influenciam o desempenho da ponte e o sistema de transporte ao qual pertence. Abrange dados de sensores em veículos, como camiões de mineração, dados gerais de tráfego, incluindo volume e padrões, e condições meteorológicas, como ciclos de temperatura, precipitação e eventos extremos, relevantes para o ambiente da ponte no norte da Suécia.

Todos estes dados alimentam a plataforma Digital Bridges, que funciona como a unidade central de processamento do sistema. Aqui, algoritmos inteligentes, baseados em Inteligência Artificial, analisam grandes volumes de informação. A IA ajuda a identificar padrões ocultos, detetar anomalias subtis que inspeções tradicionais podem não captar e até prever como diferentes partes da ponte podem degradar-se ao longo do tempo.

Esta análise gera resultados essenciais para os gestores de pontes:

• Indicadores de Desempenho da Ponte (BPI): funcionam como um relatório de saúde da ponte. Transformam dados brutos e análises de IA em métricas claras que mostram o desempenho atual da estrutura e sinalizam possíveis problemas futuros ou riscos de segurança. É como converter leituras complexas em um simples alerta ou num relatório detalhado de diagnóstico.

• Integração da Economia Circular (CEI): a plataforma também avalia opções de manutenção e reparação não apenas pela sua robustez estrutural, mas também pelo seu impacto ambiental. O CEI ajuda a priorizar soluções que prolongam a vida útil da ponte, minimizam resíduos, reduzem a necessidade de novas construções intensivas em recursos e promovem práticas sustentáveis.

A ponte Autio funciona como um primeiro passo e estudo de caso para o projeto Digital Bridges. As suas características únicas, um projeto antigo de betão pré-esforçado com fissuras conhecidas, sujeito a cargas modernas elevadas e a um clima rigoroso, e equipado com extensa instrumentação, tornam-na um campo de teste ideal para desenvolver e validar modelos de IA, cálculos BPI e o enquadramento CEI. Ao aplicar esta abordagem à ponte Autio, estamos a aprender a recolher, integrar e analisar dados dos três níveis num contexto real e complexo.

Este processo é essencial para estabelecer uma presença digital na gestão de infraestruturas. Significa traduzir a realidade física de estruturas como a ponte Autio, as suas fissuras, vibrações e resposta ao tráfego e às condições climáticas, em dados digitais que a plataforma pode processar para gerar insights acionáveis. Compreender a ponte Autio permite validar fluxos de dados, melhorar algoritmos de IA para análise preditiva e testar capacidades de gémeos digitais.

Conclusão

Os dados recolhidos dos sensores ao nível do elemento, combinados com os dados de projeto ao nível do componente e o modelo FEM, e contextualizados com informação de tráfego e clima ao nível da rede, permitem construir uma imagem digital completa do estado da ponte e prever o seu comportamento futuro. Este conhecimento é essencial não só para gerir a ponte nos seus últimos anos, mas também para definir a base para integrar milhares de outras pontes na plataforma Digital Bridges, permitindo uma gestão de infraestruturas mais inteligente e sustentável a nível nacional.

Este trabalho de investigação e desenvolvimento é possível graças ao apoio financeiro de várias entidades suecas. Agradecemos o financiamento da Administração Sueca dos Transportes, Trafikverket, através do programa FOI-BBT, bem como as contribuições da Vinnova no âmbito do programa estratégico de inovação InfraSweden, focado no aumento da circularidade nas infraestruturas de transporte.

O projeto conta ainda com o apoio da Agência Sueca para o Crescimento Económico e Regional, Tillväxtverket, que reconhece a importância da digitalização para a transformação da sociedade. Este apoio destaca a relevância nacional do projeto na resposta aos desafios das infraestruturas envelhecidas de forma sustentável e tecnologicamente avançada.

Assim, à medida que a ponte Autio se aproxima do fim da sua vida útil em 2025, continua a desempenhar um papel fundamental, fornecendo dados críticos que ajudarão não só a planear a sua demolição, mas também a contribuir para o avanço da engenharia de pontes. O seu último papel é tornar-se uma fonte de aprendizagem para a próxima geração de estruturas.

Agradecimentos às entidades envolvidas no projeto