1.1 Enquadramento
As estruturas terrestres com elevada dimensão constituem elementos fundamentais para o progresso contemporâneo da Sociedade, assumindo um papel relevante nas redes de transporte rodoviário e ferroviário (pontes, viadutos, entre outras), na exploração de recursos naturais e produção de energia (barragens, estruturas marítimas e hidráulicas) e na edificação urbana. Neste tipo de grandes obras, um eventual cenário de falha estrutural em qualquer fase da sua vida útil (que, em regra, se prolonga no tempo durante várias décadas) está associado a relevantes consequências humanas e económicas, pelo que a garantia da sua segurança constitui um requisito obrigatório para as respetivas entidades gestoras.
Neste âmbito, a observação de grandes obras contribui decisivamente para a deteção atempada de danos e melhoria do conhecimento do seu estado e consequentemente para a sua segurança, sendo suportada em atividades de inspeção visual, ensaios não-destrutivos e instrumentação pontual ou permanente visando a medição de grandezas em diferentes domínios (massa, comprimento, termometria, vibrações, caudal, entre outros), associadas quer às ações (tráfego, escoamentos hidráulicos e aerodinâmicos, condições ambientais e atividade sísmica) quer à sua resposta estrutural da obra. Em virtude da elevada perturbação ambiental caraterística dos meios em que se insere, a medição de grandezas em grandes obras constitui um desafio instrumental, nomeadamente, no que diz respeito à medição de deslocamento em que a instrumentação convencional (medição por contacto, nivelamento hidrostático, fio de prumo, medição geodésica ou fotogramétrica) se mostra inadequada pela falta de pontos absolutos de referência na proximidade da região de interesse e pela reduzida exatidão dimensional em regime dinâmico.
A medição dimensional por via óptica apresenta um elevado potencial para a resolução adequada do problema de medição descrito anteriormente, em comparação com outras soluções emergentes suportadas em sistemas GNSS – Global Navigation
Satellite Systems, e em sistemas do tipo radar interferométrico com micro-ondas, nos
quais o nível de exatidão dimensional é severamente afetado pelo efeito multirreflexão do sinal eletromagnético nos elementos metálicos que compõem a
estrutura observada, como é o caso das vigas de rigidez associadas às pontes suspensas de elevada dimensão.
Os sistemas ópticos permitem ultrapassar esta limitação, reunindo as mesmas vantagens das restantes soluções emergentes − medição sem contacto, não-invasiva, realizada a longa distância, em tempo real e de forma contínua a curto, médio e longo prazo − a que se adiciona a capacidade para medição de deslocamento tridimensional numa gama de medição elevada, por vezes, superior a um metro em infraestruturas com elevado grau de flexibilidade. Contudo, importa salientar a sua vulnerabilidade operacional em caso de observação na presença de nevoeiro ou chuva intensa, onde o fenómeno da atenuação atmosférica pode ter um efeito adverso na visualização de alvos de interesse.
Em acréscimo a esta motivação para o recurso a sistemas ópticos menciona-se a recente evolução da qualidade de fontes emissoras e respetivos processos de caraterização metrológica (nos LEDs, por exemplo), de recursos computacionais e de métodos experimentais para a caraterização de câmaras digitais com elevada distância focal, aspeto essencial para a concretização de medições dimensionais a longa distância com sensibilidade e rigor adequados. Refere-se, igualmente, a crescente
facilidade de acesso comercial a componentes ópticos e eletrónicos do tipo
off-the-shelf na concretização de soluções de medição óptica que, pela sua
variabilidade, exigem a definição de métodos de caraterização metrológica que possibilitem um julgamento adequado da sua utilização, tendo em conta os requisitos de medição e de segurança estabelecidos para um determinado cenário de observação dimensional dinâmica de uma infraestrutura.
Atualmente, os sistemas ópticos possuem uma significativa presença na atividade de observação espacial, aérea ou terrestre com interesse para a aplicação em Engenharia Civil, bem como, para o problema genérico da medição dimensional dinâmica a longa distância (entre 100 m e 1000 m) em tempo real. Neste âmbito, nota-se a ausência de resposta e de complementaridade nos campos tradicionais de atuação da Visão Computacional − medição em tempo real a curta distância − e da Fotogrametria − medição não-contínua em distâncias de observação inferiores a 100 m (na Fotogrametria Terrestre) ou superiores a 1000 m (na Fotogrametria Aérea).
Nos anos mais recentes, o desenvolvimento de sistemas ópticos tem procurado dar resposta a necessidades neste domínio de medição dimensional, contudo, na ausência de um enquadramento metrológico apropriado com uma visão probabilística da medição que fundamente a qualidade da medição pretendida – rastreabilidade ao Sistema Internacional (SI) de Unidades e a correspondente avaliação de incertezas de medição. Este último aspeto é considerado essencial para a quantificação (robusta) do nível de exatidão dimensional obtido neste tipo de sistemas de medição e para a concretização de uma comparação confiável com: (i) outras soluções de medição de natureza similar (óptica) ou distinta; (ii) requisitos de medição em obra; (iii) registos históricos de dados recolhidos.
De facto, só recentemente surgiram na Metrologia, os recursos e as ferramentas computacionais, nomeadamente, por simulação de Monte Carlo, requeridas para o cálculo de incertezas de medição em problemas complexos, de natureza não-linear e multivariável, como é o caso em estudo, permitindo a identificação de fontes de incerteza dominantes nas quais se devem concentrar os esforços de melhoria do desempenho metrológico no projeto, concretização e manutenção dos sistemas ópticos desenvolvidos.
1.2 Objetivos
A presente tese de doutoramento teve como objetivos principais:
(i) o desenvolvimento de metodologia óptica – configuração singular com câmara móvel – para medição dimensional de infraestruturas dinâmicas a longa distância (entre 100 m e 1000 m) com caráter inovador relativamente às abordagens ópticas exploradas neste contexto da Engenharia Civil no que respeita à simplicidade da configuração geométrica dos seus componentes (câmara e alvos, do tipo off-the-shelf), assegurando um grau satisfatório de sensibilidade e exatidão da medição pretendida;
(ii) o estudo do impacto dos fenómenos atmosféricos de atenuação, refração e turbulência atmosférica na qualidade da medição dimensional pretendida e o desenvolvimento e a validação experimental de métodos que permitam quantificar os efeitos sistemáticos e aleatórios daí decorrentes de forma a efetuar a sua correção e contabilização na incerteza de medição;
(iii) o enquadramento metrológico do sistema de medição desenvolvido, nomeadamente: o estabelecimento da sua rastreabilidade ao SI de Unidades mediante calibração com recurso a protótipo experimental de padrão de referência; a avaliação da incerteza de medição enquanto elemento constituinte do resultado da medição e indicador da qualidade de medição; a definição de métodos de parametrização e de caraterização metrológica de câmaras e alvos que compõem o sistema;
(iv) a concretização experimental do método de medição num cenário real de observação dimensional terrestre de uma ponte suspensa com elevada dimensão – a Ponte 25 de Abril (P25A), em Lisboa – de modo a efetuar a medição do deslocamento dinâmico do seu ½ vão principal com uma distância de observação próxima de 500 m;
(v) a evolução do conhecimento científico associado à linha estratégica de investigação e desenvolvimento do LNEC no que respeita à aplicação de meios ópticos na observação dimensional terrestre de infraestruturas dinâmicas, estabelecendo os fundamentos teóricos e os métodos experimentais validados necessários a uma análise fundamentada e rigorosa da sua adequação e viabilidade enquanto elemento integrante do plano de instrumentação de uma grande obra.
1.3 Fases de desenvolvimento
Na presente tese de doutoramento são identificadas quatro fases de desenvolvimento consecutivas: (i) caraterização do problema de medição; (ii) projeto e desenvolvimento da solução de medição; (iii) análise experimental da solução concretizada; (iv) discussão e divulgação científica do estudo efetuado.
A primeira fase foi iniciada com a análise crítica das soluções de medição referidas na literatura para o problema da medição dimensional a longa distância de infraestruturas dinâmicas, cuja análise abrangeu instrumentos e sistema de medição convencionais e emergentes. Neste último caso, foi dada particular atenção aos sistemas ópticos, tendo-se efetuado a sua comparação com outros sistemas de medição emergentes (GNSS e radar interferométrico com micro-ondas), e com sistemas de natureza óptica similar, designadamente, abordagens de configuração
singular ou múltipla. Esta análise evidenciou a abordagem óptica de configuração singular de câmara móvel como a solução mais promissora e atrativa para a resolução do problema em causa, tendo-se promovido uma análise suportada na sua estruturação modelar e a respetiva modelação matemática nas vertentes dimensional e geométrica.
Por sua vez, na fase de projeto e desenvolvimento, efetuou-se o dimensionamento do sistema de medição aplicado ao cenário de observação da P25A de modo a efetuar a medição do deslocamento dinâmico do seu ½ vão principal. A concretização deste sistema de medição foi antecipadamente validada incluindo o respetivo suporte computacional, designadamente, as suas tarefas de processamento digital de imagem e cálculo do valor lido de deslocamento envolvendo um processo de otimização não-linear multivariável.
Nesta fase foram igualmente estabelecidos: (i) o método de parametrização intrínseca pelo método DOE – Diffractive Optical Element e respetivos algoritmos de processamento de imagem e cálculo de estimativas de parâmetros intrínsecos essenciais para a concretização da abordagem óptica proposta; (ii) o método de medição direta das distribuições verticais da temperatura e humidade relativa nos locais de instalação dos principais elementos do sistema de medição (câmara e alvos) e respetiva modelação do índice de refração do ar húmido e do efeito sistemático de desvio por refração vertical; (iii) o método de avaliação do efeito de feixe errante por motivo de turbulência atmosférica decorrente de gradiente térmico vertical no trajeto óptico; (iv) o método de calibração in situ do sistema de medição, onde se inclui o projeto e a caraterização do protótipo experimental de padrão de referência requerido para este efeito.
A fase de análise experimental da solução, concretizada em cenário de observação da P25A, incluiu a discussão dos resultados obtidos em ensaios laboratoriais de natureza dimensional do referencial de medição e do protótipo de padrão de referência e de natureza geométrica da câmara, bem como dos resultados de ensaios de campo na P25A, onde se destacam: (i) os ensaios termohigrométricos visando a quantificação dos gradientes verticais em regiões críticas para o sistema de medição; (ii) a avaliação da qualidade de imagem dos alvos produzida a longa distância; (iii) a observação do efeito de feixe errante por motivo de turbulência atmosférica, decorrente de gradiente térmico vertical; (iv) a calibração in situ do sistema de medição com recurso ao protótipo de padrão de referência desenvolvido; e
(v) a medição do deslocamento dinâmico do ½ vão principal da P25A em diferentes situações operacionais. As estimativas e incertezas de medição obtidas nesta fase motivaram uma melhoria de aspetos cruciais para a solução desenvolvida, nomeadamente, no que se refere à qualidade da imagem dos alvos, com impacto relevante na estimativa do nível de exatidão da medição dinâmica de deslocamento.
Por último, na fase de discussão e divulgação do estudo efetuado inclui-se a atividade de elaboração de documentação em comunicações a eventos científicos nacionais e internacionais e, também, em artigos em revistas nacionais e internacionais com arbitragem científica. Esta fase culminou com a geração da presente tese de doutoramento.
1.4 Organização
Neste sub-capítulo é promovida uma descrição sumária do conteúdo de cada um dos cinco capítulos que compõe a tese de doutoramento.
No presente capítulo é realizada uma breve exposição relativa ao enquadramento temático da tese, bem como dos objetivos estabelecidos no âmbito da sua elaboração promovendo-se, igualmente, a descrição das suas fases de desenvolvimento e da sua organização.
O Capítulo 2 apresenta o estado dos conhecimentos em Metrologia Óptica de Visão Computacional e da Observação Dimensional Terrestre de Infraestruturas. Na primeira área temática referida, pretende-se definir, inicialmente, o seu âmbito de atuação, enquadramento e evolução histórica e, posteriormente, dar destaque ao seu potencial para aplicação em problemas de observação em Engenharia Civil. Na segunda área temática mencionada, procura-se evidenciar como a atividade de observação terrestre de infraestruturas é relevante para a sua caraterização dimensional sendo apresentadas, em detalhe, as soluções de medição dimensional convencionais e emergentes disponíveis para esse efeito, efetuando-se a sua análise comparativa. Tratando-se de duas áreas temáticas com fases de maturação distintas, pretende-se que este capítulo ilustre a ligação que o estudo desenvolvido concretizou entre ambas.
No Capítulo 3 é apresentada a abordagem óptica desenvolvida para medição dimensional de infraestruturas dinâmicas incluindo os elementos cruciais para o
dimensionamento do respetivo sistema de medição. Faz-se igualmente referência aos processos de aquisição e processamento digital de imagens dos alvos constituintes do sistema de medição e são mencionados os aspetos essenciais associados à modelação geométrica da câmara digital. Neste capítulo, é também discutida a influência do meio de propagação, nomeadamente, o impacto dos fenómenos atmosféricos de atenuação, refração e turbulência que afetam negativamente o desempenho do sistema de medição desenvolvido. O Capítulo 3 contém, também, uma descrição global das atividades experimentais requeridas para a caraterização metrológica e o estabelecimento de rastreabilidade do sistema de medição no contexto do SI de Unidades. É apresentado o método de calibração dimensional proposto para o sistema de medição desenvolvido, onde se inclui a respetiva cadeia de rastreabilidade metrológica.
O Capítulo 4 é dedicado à concretização experimental da abordagem óptica proposta para a observação dimensional dinâmica de grandes obras (no caso estudado, uma ponte suspensa − a P25A − com vão principal de elevada dimensão, próximo de 1000 m). Para além da descrição detalhada do referido cenário de observação e do sistema óptico aplicado, são apresentadas as atividades experimentais relacionadas com a parametrização intrínseca da câmara aplicada nesse contexto e com o estudo da influência térmica do meio de propagação e o seu impacto nos fenómenos atmosféricos da refração e turbulência, nomeadamente, em diferentes épocas do ano. É discutida a rastreabilidade dimensional ao SI de Unidades no que se refere aos ensaios de caraterização metrológica do referencial de medição e do protótipo experimental de padrão de referência desenvolvido para calibração do sistema de medição, cuja descrição e análise de resultados constam, também, neste capítulo. Por último, é efetuada a avaliação das incertezas de medição associadas aos desvios de calibração obtidos e são discutidos os resultados de campanhas de medição dinâmica de deslocamento no ½ vão principal da P25A em diferentes situações operacionais, designadamente, na ausência e na presença de tráfego ferroviário.
Finalmente, no Capítulo 5, são apresentadas as conclusões obtidas no âmbito do estudo efetuado, sendo mencionadas as linhas de desenvolvimento futuro do método e sistema de medição descritos, nomeadamente, no que se refere às atividades necessárias à evolução do presente grau de maturidade para aplicação generalizada em cenários de observação dimensional permanente de infraestruturas dinâmicas.
Em acréscimo, este documento possui um conjunto de anexos com informação detalhada de interesse para algumas das temáticas desenvolvidas que, pela sua dimensão, não foram apresentadas nos capítulos supracitados procurando-se, deste modo, complementar a compreensão das matérias discutidas.
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