ASPECTOS GERAIS

As estruturas civis, de um modo geral, estão presentes e são de grande importância em todos os segmentos da sociedade. As pontes, por exemplo, constituem uma parte importante na infra-estrutura de um país e, ao longo dos anos, têm contribuído para o progresso da humanidade, vencendo distâncias e ultrapassando barreiras naturais como rios, vales, lagos e até mesmo mares. As pontes sejam elas simples ou com projeto arrojado, construídas com concreto ou aço (figura 1.1), têm servido para atender a necessidade de melhor acesso, transporte e comércio entre comunidades locais ou entre países, ressaltando a importância dessas estruturas no desenvolvimento sócio-econômico de uma nação.

(a) (b)

Figura 1.1 – (a) Ponte de madeira no Tibet, (Bennet, 1999). (b) Ponte JK – Brasília, DF.

Ao longo dos anos, novas tecnologias têm sido desenvolvidas surgindo diferentes tipos de estruturas, cada vez mais sofisticadas, com projetos estruturais e processos construtivos de grande complexidade. Entretanto, apesar do avanço da tecnologia na engenharia civil, as estruturas têm apresentado muitas falhas produzidas em condições normais de utilização. Isto tem sido observado, em diversos lugares do mundo, e em particular, em pontes, viadutos e passarelas, que chegam muitas vezes até a ruptura causando perda de vidas e grandes prejuízos econômicos.

A combinação desses fatores com as condições de carregamento, dependendo da intensidade com que ocorram, pode produzir danos de diferentes tipos nas estruturas e até conduzir ao seu colapso. No caso de pontes, a literatura apresenta vários relatos sobre acidentes estruturais ocorridos ao longo dos anos.

Cunha et al. (1998) relatam um acidente estrutural no qual um vão de um viaduto no Rio de Janeiro desabou sobre uma linha férrea causando um grande prejuízo econômico, figura 1.2. Os autores apresentam também outros casos de pontes que entraram em processo de colapso devido a danos provocados pela deterioração da estrutura.

Figura 1.2 – Trecho do viaduto que desabou no Rio de Janeiro (Cunha, 1998).

Em Palazzo (2001) encontram-se citados outros acidentes com pontes, por exemplo, o colapso da ponte sobre o rio San Juan localizado na cidade de Caucete e outra ponte na cidade de Mendoza, ambas na Argentina. A figura 1.3 mostra o colapso de uma passarela devido a danos provocados por corrosão de armaduras.

Também nos Estados Unidos tem-se verificado problemas relacionados às pontes, pois, segundo a Federal Highway Administration, mais de 40% das pontes inventariadas no país apresentam deficiências estruturais ou estão funcionalmente obsoletas necessitando de reparos ou substituição (Palazzo, 2001).

No Brasil também se observa este tipo de problema. Segundo um estudo feito pelo Tribunal de Contas do Estado de Santa Catarina (TCE/SC) sobre a qualidade das obras públicas, 69,2% das pontes no estado necessitam de uma recuperação profunda, demonstrando a ausência de manutenção periódica dessas estruturas. Na cidade de São Paulo existem mais de 1400 obras de arte entre pontes e viadutos, segundo informação contida no site da Prefeitura Municipal de São Paulo, sendo que a maioria dessas estruturas apresenta algum tipo de deterioração.

Em conseqüência da deterioração da estrutura, sua capacidade de carga pode ser afetada, fazendo com que surjam outros problemas como fissuração e vibrações excessivas, que causem desconforto e insegurança para os usuários. Dessa forma, inspeções regulares e a avaliação das condições de estruturas civis são necessárias a fim de que se possa detectar a existência de danos na fase inicial e, assim, estabelecer procedimentos de manutenção e reparos que irão garantir a segurança e confiabilidade da estrutura com custos mínimos.

O método comumente adotado para avaliar as condições estruturais e detectar danos tem sido por meio de inspeção visual. No entanto, devido à crescente complexidade das estruturas atuais essa técnica tem se tornado ineficiente e inadequada, principalmente no que diz respeito à identificação de danos invisíveis ao olho humano. Além disso, a inspeção visual de estruturas complexas e de grande porte pode se tornar um processo caro e demorado. A utilização de técnicas como ultra-som, raios-X, etc. pode ser uma alternativa para detectar a existência de danos, porém, são técnicas de aplicação localizada e, portanto, requerem um conhecimento prévio da região afetada além da acessibilidade a tais áreas.

freqüências naturais, modos de vibração e razão de amortecimento. Doebling et al. (1998) e Zou et al. (2000) apresentam uma revisão sobre vários métodos de detecção de dano baseados nas propriedades dinâmicas das estruturas.

As características dinâmicas frequentemente usadas na identificação de danos são as freqüências naturais e os modos de vibração. As freqüências permitem detectar a existência de danos, uma vez que sofrerão alterações em relação às freqüências da estrutura intacta. Já os modos de vibração fornecem informações localizadas ao longo de toda estrutura e, portanto, podem ser utilizados na localização do dano.

O passo anterior à detecção de danos, por meio das características dinâmicas, seria a identificação de tais características, que precisam ser obtidas com o máximo de precisão a fim de que possam ser utilizadas nos métodos de detecção de danos e produzam resultados confiáveis a respeito do estado da estrutura. Portanto, a escolha adequada de métodos de identificação das propriedades modais é de grande importância na qualidade dos resultados.

De forma geral, a identificação das características dinâmicas é feita a partir dos sinais provenientes da resposta da estrutura a uma determinada excitação. Esta excitação, por sua vez, pode ser produzida a partir de testes de vibração forçada com vibradores, socadores mecânicos que produzem cargas de impacto ou outros equipamentos especiais, ou ainda a partir de excitações ambientes produzidas pelo tráfego de veículos, de pessoas ou pelo vento.

A excitação ambiente é muito utilizada no caso de estruturas de grande porte, como pontes e viadutos, pois permite realizar um monitoramento contínuo ou intermitente sem a interrupção do tráfego, além de ser, muitas vezes, uma alternativa técnica e economicamente mais viável.

A identificação de sistemas que permite a obtenção das propriedades modais, por meio de métodos que requerem apenas a resposta da estrutura, não permite, entretanto, identificar os parâmetros desconhecidos dessa estrutura, tais como propriedades físicas e/ou

Na década de 90, a atualização de modelos, em particular modelos de elementos finitos, passou a ser vista como um objeto de grande importância na análise de estruturas civis e mecânicas. Em geral, a atualização de modelos de elementos finitos em dinâmica estrutural é usada para ajustar modelos numéricos a resultados experimentais por meio de métodos diretos ou iterativos. Os métodos diretos permitem identificar as matrizes de massa e/ou de rigidez usando as equações de movimento da estrutura e as equações de ortogonalidade dos modos. Seus resultados, porém, nem sempre apresentam significado físico. Já os métodos iterativos permitem atualizar variáveis físicas do modelo como módulo de elasticidade, densidade, espessura etc., de forma iterativa e independente, permitindo obter resultados com significado físico.

O modelo numérico atualizado de uma estrutura, a partir de dados medidos como freqüências e modos de vibração, pode ser utilizado como ferramenta para prever seu comportamento dinâmico, com precisão, frente a modificações sofridas ao longo da sua vida útil. Nos últimos tempos, essa ferramenta tem sido utilizada na avaliação das condições estruturais de pontes. Dentre alguns trabalhos desenvolvidos nesse sentido podem ser citados Brownjohn et al. (2001), Teughels et al. (2002) e Teughels e De Roeck (2004).

Diante da importância de se monitorar as estruturas, avaliando seu comportamento, a fim de impedir que a deterioração sofrida ao longo de sua vida útil venha produzir danos que possam comprometer sua segurança, torna-se necessário estabelecer metodologias que permitam avaliar as condições de funcionamento de estruturas civis.

1.2 OBJETIVOS

Este trabalho está inserido em uma linha de pesquisa, do grupo de dinâmica e controle estrutural do PECC, que busca estabelecer uma metodologia adequada para a avaliação das condições estruturais de edificações civis, principalmente de pontes, a partir de seu comportamento dinâmico.

ferramentas que possam ser utilizadas em procedimentos de avaliação estrutural, tais como métodos de identificação de sistemas e métodos de atualização de modelos numéricos. Esses métodos permitirão obter as propriedades dinâmicas e determinar ou atualizar parâmetros desconhecidos, como rigidez e massa, a partir das freqüências e/ou modos de vibração medidos experimentalmente, possibilitando assim a posterior aplicação de técnicas adequadas de detecção de danos.

Neste caso, seriam objetivos específicos deste trabalho aplicar alguns métodos de identificação de sistemas a partir apenas da resposta da estrutura assim como métodos iterativos de atualização de modelos numéricos de modo que se possa avaliar seu comportamento, eficiência e aplicabilidade em procedimentos de avaliação estrutural.

1.3 METODOLOGIA

Para alcançar os objetivos enunciados, serão estudados o método de detecção de pico e os métodos de identificação de subespaços estocásticos SSI-COV/ref (Reference-based covariance-driven stochastic realization) e SSI-DATA/ref (Reference-based data-driven stochastic subspace). Além destes, serão avaliados dois métodos de atualização de modelos de elementos finitos baseados em funções de penalidade (Penalty function methods). Ambos se baseiam em análise de sensibilidade, porém, um deles, conhecido como Perturbed boundary condition testing, consiste em perturbar a estrutura por meio de adição de massa em determinadas coordenadas. Todos os métodos serão implementados computacionalmente utilizando o programa computacional MATLAB.

Na etapa experimental serão ensaiadas vigas metálicas e um pórtico plano de três pavimentos. Os registros de acelerações obtidos servirão de base para avaliar o comportamento dos métodos em estudo quando aplicados a registros que contém também ruídos.

A partir dos resultados obtidos, será feita uma avaliação crítica dos métodos analisados com relação à sua aplicabilidade em procedimentos de avaliação estrutural.