DETECÇÃO DE DANOS

As pontes e viadutos são elos importantes da infraestrutura, que ao longo do ciclo de vida merecem atenção continuada para que se permita detectar antecipadamente sinais de alteração dos níveis de segurança estrutural e desempenho funcional. O termo utilizado

para descrever este processo que visa determinar a integridade de uma estrutura é Monitoração de Saúde Estrutural (Structural Health Monitoring - SHM).

Há numerosos estudos e pesquisas visando desenvolver técnicas para verificar a integridade das estruturas e SHM, incluindo métodos visuais, não destrutivos e semi- destrutivos, bem como as avaliações por meio das respostas dinâmicas. Todos esses métodos têm como objetivo comum detectar, localizar e quantificar diferentes graus de deterioração e danos em uma estrutura.

A grande maioria dos métodos de detecção de danos empregados atualmente no Brasil são métodos experimentais visuais ou localizados, conforme descrito nos manuais e normas técnicas brasileiras, (DNIT, 2004a), (DNIT, 2004b), (ABNT:NBR-16230, 2013) e (ABNT:NBR-9452, 2012).

A inspeção visual, a avaliação não-destrutiva e a semi-destrutiva, são métodos comuns de monitoração de estruturas. A inspeção visual não é objetiva e contém grandes incertezas na identificação e quantificação dos danos, já os métodos de avaliação não destrutivos e semi-destrutivos, tais como extração de corpos de prova para ensaio, testes de ultrassom, teste de penetração, exames radiográficos, teste de corrente etc. quantificam os danos locais. No entanto, estes métodos experimentais requerem que a localização do dano seja conhecida a priori e que a estrutura a ser inspecionada seja acessível. Assim, sujeito a estas limitações, a necessidade de métodos de detecção de danos mais globais que possam ser aplicados a estruturas complexas levou ao desenvolvimento de métodos que examinam as alterações nas características da estrutura, como modificação nas respostas.

Sahuinco (2011) utilizou métodos não destrutivos e semi-destrutivos na avaliação da condição estrutural da ponte sobre o Rio Jaguari na BR-381/SP no estado de São Paulo, concluindo que os dados qualitativos estão baseados na inspeção visual enquanto os dados quantitativos estão baseados nos ensaios não destrutivos e semi-destrutivos. Entretanto, assinala que a qualificação dos profissionais envolvidos é fator primordial para o sucesso da avaliação da estrutura, o que sustenta a subjetividade destes tipos de métodos.

Desse modo, ao longo dos últimos anos detectar danos em uma estrutura por meio da mudança nos parâmetros globais tem recebido atenção considerável e o fundamento para a detecção de danos é que as mudanças nas propriedades físicas da estrutura (condições

de contorno, rigidez, massa etc.) altera as características estáticas e dinâmicas (deformação, frequências, modos de vibração etc.).

Conforme Doebling et al. (1998) os métodos de detecção de danos podem ser classificados conforme a natureza dos dados experimentais em dinâmicos e estáticos, contudo, os autores ponderam que os avanços na detecção de danos por vibração, frente aos estáticos, nos últimos 20-30 anos produziram novos métodos e vem tendo aplicações mais difundidas. Assim, a monitoração por meio das respostas dinâmicas da estrutura é um método menos subjetivos para acompanhamento da integridade estrutural e permite uma avaliação global.

Neste sentido, métodos que se baseiam na alteração das propriedades dinâmicas, tais como frequência, formas modais e curvatura, matriz de flexibilidade e rigidez, e energia de deformação modal, vem se mostrando promissores na detecção e localização de danos estruturais. Dentre estes, vale ressaltar métodos baseados na atualização dos modelos numéricos, foco deste trabalho.

Embora a expressão “Detecção de Dano” venha sendo usada de uma forma genérica, com base na quantidade de informações fornecidas sobre o estado de dano, os métodos podem ser classificados como fornecendo quatro níveis informações, conforme apresentado por Rytter (1993):

Nível 1 – Métodos que indicam de forma qualitativa que a estrutura pode apresentar danos (Detecção);

Nível 2 – Métodos que são capazes de detectar e informar a provável localização do dano (Localização);

Nível 3 – Métodos que são capazes de detectar, localizar e estimar a gravidade (Avaliação); e

Nível 4 – Métodos que são capazes de detectar, localizar, avaliar e determinar a vida útil remanescente da estrutura baseado no estado danificado (Consequências). Desde 1981, numerosos estudos envolvendo o desenvolvimento e aplicação de técnicas de detecção de danos foram relatados para estruturas de ponte. Contudo, os primeiros

estudos tiveram como objetivo verificar se os danos alteravam significativamente as propriedades dinâmicas das estruturas.

Salane et al. (1981) realizaram uma investigação para avaliar a alterações nas propriedades dinâmicas como um possível meio de detectar a deterioração estrutural devido a fissuras por fadiga nas vigas de uma ponte rodoviária de três vãos. Os autores puderam concluir que as mudanças no amortecimento eram inconsistentes e não podiam ser usadas para detectar danos, assim como as alterações nas frequências, que foram consideradas pobres indicadores de deterioração estrutural causada por fadiga. Contudo, as alterações nas formas modais se mostraram como os indicadores mais sensíveis aos danos por fadiga na viga.

Kato e Shimada (1986) realizaram uma análise numérico experimental numa ponte de concreto protendido durante o seu ensaio de falha realizado antes da demolição. Foram realizados 6 ciclos de carregamentos estáticos que variaram de 80ton a 434ton, e os teste de vibração foram realizados em 4 estágios do carregamento, foram medias as frequências em duas direções horizontal e vertical, utilizando a vibração ambiente. Observou-se que as frequências verticais dos primeiros modos diminuíram rapidamente na medida que as cargas eram acrescidas. As alterações nas frequências foram associadas com o rendimento dos cabos da protensão, uma vez que, verificou-se um grande decremento na frequência após o aço dos cabos excederem o limite elástico. No entanto, os valores de amortecimento não foram afetados significativamente.

Conclusões semelhantes foram levadas por Biswas et al. (1990a) e (1990b) ao analisar pontes rodoviárias e outros vários modelos de pontes em laboratório. Danos foram simulados afrouxando os parafusos de conexão de uma das vigas principais. Os testes laboratoriais e modelos analíticos foram realizados para avaliar em detalhes a veracidade e eficiência de diferentes técnicas experimentais, procedimentos analíticos e métodos de processamento de sinal. Puderam concluir que as alterações nos sinais e dados devido aos danos simulados na ponte, bem como em modelos são discerníveis, mas em geral são pequenos. Funções de resposta tais como frequências e formas de modo são pouco sensíveis às falhas na estrutura. Contudo, a alterações nas formas de modo quantificadas pelos critérios de garantia modal, tais como MAC e COMAC, e a aplicação de técnicas de reconhecimento de padrões à função de resposta em frequência pareceram ser mais eficazes na detecção de alterações numa estrutura.

Esforços consideráveis vinham sendo empregados na obtenção de uma relação entre as mudanças nos parâmetros próprios, localização dos danos e o tamanho do dano. Apesar disso, a grande maioria, com ênfase em usar as mudanças nas frequências naturais e os valores de amortecimento.

Spyrakos et al. (1990) realizaram um programa experimental em vigas, com características dinâmicas similares às pontes. Vários cenários foram analisados, onde variou-se a intensidade e comprimento do dano. Os autores observaram que a mudança de frequência pode ser insuficiente como um indicador útil de segurança estrutural, uma vez que danos críticos, com fatores de danos maiores que 1.0, alteraram as frequências em menos que 5%. No entanto, as formas de modo puderam indicar a localização dos danos.

Dois estudos subsequentes, Pandey et al. (1991) e mais tarde em Pandey e Biswas (1994), podem ser considerados destaques na utilização de diferentes parâmetros de resposta no estudo de detecção de danos. No primeiro utilizou os dados de resposta de curvatura dos modos de vibração, e no segundo estudo avaliou a mudanças na matriz de flexibilidade. Concluiu-se que os parâmetros de resposta se mostraram efetivos, não apenas para detectar a presença de um estado de dano, mas também puderam ser utilizados como forma de localizar o dano.

Na mesma linha, Tang e Leu (1991) observaram que as mudanças nas formas modais são mais sensíveis que mudanças de frequências para uma ponte com parte de seus membros estruturais danificados, consequentemente, são um indicador efetivo para a detecção qualitativa de danos.

Estudo semelhante ao de Spyrakos et al. (1990) foi desenvolvido por Raghavendrachar e Aktan (1992), onde realizou-se testes em uma ponte de concreto armado com o objetivo de detectar dano, concluíram que os esforços para identificar dano apenas através de mudanças nas frequências e formas de modo, identificando apenas alguns modos são questionáveis, a menos que o dano seja de natureza severa e global. Contudo, as alterações na flexibilidade, determinadas a partir de formas de modo, eram um indicador sensível de danos, particularmente quando apenas um número limitado de modos estava disponível. Em sequência, torna-se importante quantificar a variabilidade da resposta dinâmica nas estruturas devidos aos efeitos dos danos, uma vez que segundo Askegaard e Mossing

(1988) as pontes podem apresentar uma variação nas frequências de até 10% durante as estações do ano, sem nenhuma modificação nas condições estrutural. Assim, de forma a minimizar a indicação falsa de danos é fundamental que os conjuntos de dados sejam coletados em uma ampla gama de condições ambientais e operacionais do sistema. Um trabalho inovador foi então desenvolvido por Farrar et al. (1994), que realizaram o primeiro estudo deparado sobre a utilização de técnicas de detecção de danos por meio de dados modais aplicado a uma ponte. Os testes modais objetivaram caracterizar as propriedades dinâmicas e mostrar como estas propriedades poderiam ser afetadas por danos, tendo como objeto de estudo a Ponte sobre o Rio Grande, na Interestadual I-40 no Estado do Novo México, Estados Unidos. As pontes na I-40 sobre o Rio Grande seriam destruídas durante o verão de 1993, o que possibilitou aos investigadores introduzir danos progressivos, por meio de cortes na mesa da viga metálica I no vão central norte, e testar os métodos de identificação de dano. Foram realizados testes de vibração ambiental e a cada estágio do dano, testes de vibração forçada. Para a quantificação do dano foram utilizadas a variação nas frequências e forma dos modos, por meio do índice MAC. No entanto, não se pode notar alterações nas propriedades dinâmicas globais da ponte, até o estágio final de dano ser introduzido, sendo ainda que os modos, cujo nó estava localizado no local do dano, não tiveram sua forma modal alterada. Estes resultados enfatizaram a necessidade de mais trabalho no desenvolvimento de algoritmos de identificação de danos. A Figura 2.22 apresenta os detalhes da seção longitudinal da ponte sobre o Rio Grande, detalhes do ensaio dinâmico e local do dano.

a) b)

Figura 2.22: Ponte sobre o rio Grande, Novo México EUA a) Detalhe Longitudinal; b) Detalhes do Ensaio

Fonte: (FARRAR, BAKER, et al., 1994)

Em uma continuação do estudo, Farrar e Jauregui (1996) apresentam uma comparação direta dos métodos de identificação de danos: Método do Índice de Danos (Kim e Stubbs, 1993, apud Farrar e Jauregui, 1996), Método de Curvatura do Modo (Pandey et al., 1991, apud Farrar e Jauregui, 1996), Método de Alteração na Flexibilidade (Pandey e Biswas,

1994, apud Farrar e Jauregui, 1996), Método de Curvatura do Modo e Alteração na Flexibilidade (Zghang e Aktan, 1995, apud Farrar e Jauregui, 1996) e o Método de Alteração da Rigidez (Zimmerman e Kaouk, 1994, apud Farrar e Jauregui, 1996). Assim, ao todo, três conjuntos de dados, dois experimentais e um analítico, foram utilizados neste estudo. Em geral, todos os métodos identificaram a localização do dano corretamente, seja o experimental real ou os simulados numericamente, quando considerado o estágio final do dano, com o corte total da mesa inferior da viga. No entanto, os métodos eram inconsistentes e não identificavam claramente a localização dos danos quando considerados os casos de danos menos graves.

Mais tarde, Farrar e Jauregui (1999a) concluíram que com base em análises e observações adicionais, relacionadas aos testes na Ponte I-40, que haveriam vários procedimentos que deveriam ter sido realizados durante os testes para melhorar a confiança dos resultados de identificação de danos. Dentre as melhorias no procedimento de teste estão listadas a necessidade de uma inspeção visual antes e pós-teste e uma análise da sensibilidade dos resultados modais às condições ambientais, tais como mudanças na temperatura, carga de tráfego, vento e métodos de excitação. E em paralelo, Farrar e Jauregui (1999b) desenvolveram um modelo de elementos finitos, introduzindo oito cenários de danos no modelo numérico, três cenários comparados com os estágios de danos realizado no teste experimental e cinco novos cenários de danos numéricos, incluindo um caso de danos múltiplos. Um nono cenário foi introduzido no estudo, contudo este não envolvia alterações no modelo de elementos finitos, em vez disso, a função de força original foi substituída por uma função aleatória diferente, que tinha a mesma amplitude e a mesma frequência. Este caso foi incluído na investigação para testar se as rotinas de identificação de dano não identificariam dano quando duas respostas diferentes não danificadas são analisadas, ou seja, dando uma leitura “falso-positiva”. Cinco algoritmos de identificação de danos foram testados nos dados gerados numericamente da ponte não danificada e danificada, para a comparação foram utilizados os dados de forma de modo por meio do índice MAC. Com exceção do método do índice de danos, todos os métodos estudados forneceram indicações falso-positivas de dano quando foram aplicados aos conjuntos de dados não danificados. Apesar de não ser verificado analiticamente, os autores presumem que as leituras falsa-positivas poderiam ser eliminadas tomando-se mais amplitudes da forma de modo. A comparação de dois conjuntos de dados não danificados pode ser usada

para estabelecer os níveis mínimos de alteração no parâmetro monitorado que os danos devem produzir antes de serem detectados.

Em termos de metodologia, análogo ao desenvolvido neste trabalho, alguns autores utilizaram a metodologia de atualização do modelo numérico como forma de detectar, localizar e quantificar os danos em estruturas de pontes. Nesta perspectiva, a atualização dos modelos numéricos com base em dados experimentais, junto a análise de sensibilidade dos parâmetros, vem demonstrando capacidade de predizer sobre danos por meio da alteração na rigidez dos membros estruturais.

Fritzen e Bohle (1999) usaram um método de atualização de modelo para identificar os danos na estrutura, utilizando os dados do teste experimental Farrar et al. (1994).O modelo de elemento finito foi formulado e atualizado com base nos dados experimentais intactos, apresentando um MAC de 0.98 e 2.7% de diferença nas frequências. Para o problema de detecção de dano, foram considerados os dados dos seis primeiros modos e frequências, variando de 2 a 5Hz. A análise de sensibilidade levou a uma redução no número de parâmetros de 1080 para apenas 9, o que foi considerado um dos fatores primordiais no sucesso da localização do dano. A atualização do modelo numérico, utilizada para quantificar a perda de rigidez dos membros estruturais, apresentou uma boa impressão da extensão do dano. Sendo o método capaz de detectar os danos nas condições de cenário de danos 4, 3 e 2, severos, inclusive indicando a posição do dano no modelo numérico. Contudo, para o cenário 1, dano leve, as imprecisões do modelo levaram a um diagnóstico não confiável, uma vez que a mudança estrutural foi muito pequena para ser identificada.

Para convencer a comunidade de engenharia de que o monitoramento dinâmico é uma técnica valiosa para a avaliação estrutural, uma prova da sua viabilidade seria essencial. Neste sentido, um dos casos mais representativos no estudo de detecção de dano, que, desde 1997, vem sendo alvo de extensas investigações foi o Viaduto Z-24, localizado entre as aldeias de Koppigen e Utzenstorf, na autoestrada de Berna para Zurique, na Suíça. O viaduto foi utilizado, como um estudo em grande escala, para validar a utilização da monitorização dinâmica para efeitos de detecção e avaliação de danos.

Os testes experimentais no Viaduto Z-24 foram realizados no âmbito do projeto Brite- Euram BE 96-3157 (1997) e consistiu de duas partes: um teste de longo prazo, para

quantificar o grau de variância devido a influências ambientais; e um teste de curto prazo, para evidenciar que as alterações nas propriedades dinâmicas são suficientemente grandes e podem estar ligadas a danos numa determinada parte da estrutura. O Viaduto Z-24, construído em 1963, apresentava um comprimento total de 63,4m, sendo dois vãos laterais de 14m, vão central de 30m e dois balanços de 2,7m cada. A seção transversal do tabuleiro composta de viga caixão com duas células protendidas. Na mesoestrutura dois pilares laminares centrais e dois encontros embutidos em solo. O viaduto seria demolido e substituído por um novo, uma vez que a largura do tabuleiro não acomadrava uma nova linha ferroviária, o que possibilitou a introdução dos cenários de danos na estrutura. Deste modo, ao todo 17 cenários foram analisados, dentre eles: recalque e inclinação na fundação, onde um dos pilares foi recortado e introduziu-se um sistema de recalque com um rebaixamento variando de 20 a 95mm; rompimento de cabos de protensão; desplacamento de concreto etc. As primeiras frequências e modos correspondentes foram identificados antes e após a introdução dos estágios de dano. As medições dos dados modais foram realizadas nas condições ambientais¸ ou seja, sob tráfego, e por meio de sharques verticais no teste de vibração forçada.

Assim, a partir dos dados dos ensaios realizados, Wahab e De Roeck (1999) utilizaram a técnica de curvatura modal (Modal Curvature MC) para localização de danos em estruturas considerando 4 cenários de danos referente ao recalque de fundação. Puderam verificar que as MCs dos primeiros modos são, em geral, mais precisas do que aquelas dos modos mais altos. Foi proposto também um parâmetro chamado Fator de Dano de Curvatura (Curvature Damage Factor), que consiste na diferença média entre as MC de todos os modos. O fator de dano apresentou uma identificação clara dos locais dos danos, quando a estrutura apresentava os danos mais severos. Os resultados mostram que a aplicação do método MC para detectar dano em estruturas parece promissor, contudo os pesquisadores ponderam sobre o uso do MC de modos mais altos na detecção de danos. Em sequência, Maeck e De Roeck (1999) apresentaram os resultados para cenários de danos adicionais, incluindo inclinação de fundações, desprendimento de concreto, rótulas plásticas no concreto, falha de ancoragem e ruptura de tendões.

Em relação às considerações dos efeitos da temperatura sobre as frequências naturais da estrutura, Peeters (2000) desenvolveu um método para detecção de danos na presença de diferentes parâmetros ambientais.

Uma maneira de identificar danos é atualizar o modelo numérico até que uma correspondência satisfatória entre as características modais calculadas e medidas. De tal modo, De Roeck, Peeters e Maeck (2000) desenvolveram diferentes modelos MEF para o Viaduto Z-24, desde modelos detalhados tridimensionais, com elementos de casca, até modelos mais simples, com elemento de vigas. Para identificação de danos foram considerados os primeiros cinco modos. O método de atualização baseia-se na minimização das discrepâncias entre parâmetros modais medidos e calculados através do ajuste de alguns parâmetros incertos no modelo de elementos finitos. Assim, primeiro o modelo foi atualizado para obter uma boa correspondência com a referência, e finalmente, uma função de dano, representando uma variação paramétrica de rigidez, foi utilizada na atualização do modelo. Os autores puderam verificar que o dano tem uma influência seletiva nos modos, sendo mais afetados os modos de maiores curvaturas nos locais dos danos, sendo também uma maneira de fazer a distinção entre mudanças ambientais e estruturais. Dentre os cenários de danos analisados, somente os que produzem reduções de rigidez poderiam ser identificados, como o recalque de apoio. A perda de protensão só resultará em uma mudança mensurável nas frequências se acompanhado por fissuras originárias.

No estudo apresentado por Maeck, Peeters e De Roeck (2001), os resultados da identificação de danos são comparados com os resultados de uma técnica clássica de atualização de modelo numérico baseada na sensibilidade. A suposição básica em ambas as técnicas é que o dano pode estar diretamente relacionado a uma diminuição da rigidez na estrutura. Neste sentido, puderam concluir que o cálculo de rigidez direta, como técnicas de atualização baseadas em sensibilidade, parece ser uma boa alternativa para os métodos de detecção e ainda que as frequências e os deslocamentos modais, são indicadores úteis de danos na estrutura.

Brincker et al. (2001) realizaram a detecção de danos de nível 1 da estrutura usando