UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
FABIANE DE FÁTIMA MACIEL
MONITORAMENTO ESTRUTURAL EM OBRAS
VIÁRIAS UTILIZANDO A TÉCNICA RTK/NTRIP:
ANÁLISE DOS DADOS, DESENVOLVIMENTO E
IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE ALERTA
POSICIONAL
CAMPINAS 2019
FABIANE DE FÁTIMA MACIEL
MONITORAMENTO ESTRUTURAL EM OBRAS
VIÁRIAS UTILIZANDO A TÉCNICA RTK/NTRIP:
ANÁLISE DOS DADOS, DESENVOLVIMENTO E
IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE ALERTA
POSICIONAL
Dissertação de Mestrado apresentada a Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Mestra em Engenharia Civil, na área de Transportes.
Orientador: Prof. Dr.: Jorge Luiz Alves Trabanco
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA FABIANE DE FÁTIMA MACIEL E ORIENTADA PELO PROF. DR. JORGE LUIZ ALVES TRABANCO.
ASSINATURA DO ORIENTADOR
______________________________________
CAMPINAS 2019
Maciel, Fabiane de Fátima,
M187m MacMonitoramento estrutural em obras viárias utilizando a técnica RTK/NTRIP
: análise dos dados, desenvolvimento e implementação de um sistema de alerta posicional / Fabiane de Fátima Maciel. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.
MacOrientador: Jorge Luiz Alves Trabanco.
MacDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade
de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
Mac1. Monitoramento. 2. Engenharia civil (Estruturas). 3. Engenharia
estrutural. 4. Satélites artificias - Sistema de controle. I. Trabanco, Jorge Luiz Alves, 1956-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de
Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Structural monitoring in roads using the RTK/NTRIP technique :
data analysis, development and implementation of a positional alert system
Palavras-chave em inglês:
Monitoring
Civil engineering (Structures) Structural engineering
Artificial satellites - Control system
Área de concentração: Transportes Titulação: Mestra em Engenharia Civil Banca examinadora:
Jorge Luiz Alves Trabanco [Orientador] Henrique Candido de Oliveira
Paulo Cesar Lima Segantine
Data de defesa: 29-03-2019
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)
- ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0002-7117-6965 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/1115363641746538
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
MONITORAMENTO ESTRUTURAL EM OBRAS
VIÁRIAS UTILIZANDO A TÉCNICA RTK/NTRIP:
ANÁLISE DOS DADOS, DESENVOLVIMENTO E
IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE ALERTA
POSICIONAL
Fabiane de Fátima Maciel
Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. Jorge Luiz Alves Trabanco Presidente e Orientador
FEC/UNICAMP
Prof. Dr. Paulo Cesar Lima Segantine Universidade de São Paulo
Prof. Dr. Henrique Candido de Oliveira FEC/UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus pelo dom da vida, pelo amor e pela fé! Por me proporcionar a realização deste sonho e consigo grandes momentos de sabedoria. Aos meus pais Maria e Benedito, por acreditarem e confiarem em todas as minhas decisões. Aos meus afilhados Luiza e Ian Cesar por me trazerem paz!
Ao meu orientador Jorge Trabanco por me aceitar no programa de pós-graduação e por todos seus ensinamentos prestados. Aos professores Henrique e Segantine pelo aceite na participação como banca e por contribuírem positivamente na conclusão deste trabalho.
Ao meu amigo engenheiro mecânico Rubens Morandi, pela criação da peça de adaptação a base nivelante e por trabalhar ao meu lado em todas as campanhas de coleta de dados. Aos meus amigos engenheiros Cartógrafos Fabio Albarici, Herida Reis e Luciano Barbosa por me ouvirem, orientarem e principalmente por estarem ao meu lado nesta trajetória. A amizade de vocês significa muito para mim.
Ao setor da Agrimensura do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sul de Minas Gerais – Campus Inconfidentes, pelo carinho, apoio e ao incentivo a carreira docente.
A empresa Alezi Teodolini pelo empréstimo do receptor/antena GNSS e ao técnico Weyller Pereira, por todos os serviços prestados.
Em especial, ao meu namorado André Luiz Gois. Graças ao seu apoio e a sua confiança, tudo isso tornou-se possível. Agradeço imensamente sua participação na criação do software SiGE, por fazer parte desta conquista e por todo seu amor.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001 e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq (n° 134312/2018-6).
“Isso acontece porque rezo com fé”. (Nhá Chica)
RESUMO
Com a ampliação do sistema rodoviário no Brasil na década de 1930, nota-se atualmente um cenário com inúmeras obras viárias em diferentes condições de serviço. Isso torna-se preocupante levando em consideração a falta de monitoramento em OAEs (Obras de Arte Especiais) e por quem, de fato, estas estruturas devem ser monitoradas. Registros de acidentes envolvendo OAEs são relatados com frequência. Estas estruturas estão sujeitas às ações de forças estáticas e dinâmicas, podendo causar deslocamentos e/ou deformações que caracterizam-se por sua amplitude, direção e comportamento temporal. Há também processos de deteriorações, sejam por desgaste ao uso ou por solicitações naturais, levando-se ao enfraquecimento da estrutura. A incorporação de métodos de inspeção e monitoramento no comportamento estrutural em OAEs torna-se crescente devido ao alto custo de recuperação destas obras. Contudo, é necessário que haja um plano de monitoramento contínuo ou periódico, de acordo com as grandezas admissíveis de cada estrutura, permitindo-se comparar os valores de deslocamentos especificados em projetos, com os valores comportamentais admissíveis pela estrutura em serviço. O GNSS (Global Navigation Satellite Systems) por meio da técnica RTK (Real Time Kinematic), mostrou-se capaz de oferecer suporte no controle de deformações estruturais, com a obtenção de dados em tempo real, utilizando a tecnologia de telefonia celular, em especial, a conexão GSM (Global System for Mobile Communications), adequado ao protocolo NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), identificando o comportamento da estrutura por meio das variações observadas. Com o objetivo de monitorar estruturas viárias em tempo real, por meio da técnica RTK/NTRIP e a criação de um sistema de alerta posicional com comunicação online, desenvolveu-se o SiGE (Sistema de Gerenciamento Estrutural). Além do gerenciamento da estrutura, dentre outros benefícios, o SiGE permite que o operador seja informado de eventos significativos previamente determinados. Com a obtenção destes dados em tempo real, é possível avaliar a segurança da estrutura em serviço, monitorar a estrutura de forma contínua e segura e aprimorar projetos futuros com a definição de deslocamentos estruturais máximos.
ABSTRACT
With the road system expansion in Brazil in 1930’s, nowadays we note a scenario with countless road structures in different service condition. This becomes worrying taking into account the lack of monitoring in OAEs (Obras de Arte Especiais) and for whom indeed these structures must be monitored. Accident records involving OAEs are often related. These structures are subjected to static strength and dynamics actions, which may cause displacement and/or deformations that characterize themselves by their range, direction and temporal behavior. There are also deterioration processes, whether by wear to use or by natural requests, resulting in structure weakening. The incorporation of inspection and monitoring methods in the structural behavior in OAEs it is growing due to recovery high cost of these works. However, it is necessary to have a continuous or periodic monitoring plan, according to the allowed magnitudes of each structure, making possible a comparison between specified displacement values in projects and the admissible behavioral values by structure in service. O GNSS (Global Navigation Satellite Systems) by RTK technique, has shown its capability to support the structural deformations control, considering real time data acquisition, by using a mobile telephone technology, in special, the GSM connection (Global System for Mobile Communications). It is appropriate to the NTRIP protocol (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), identifying the structure behavior trough observed variations. Aiming to develop a real time monitoring structure system for road structures, by using RTK/NTRIP and the creation of a positional alert system with online communication, the SIGE (Sistema de Gerenciamento Estrutural) has been developed. SIGE, in addition to provide the structure management, among others benefits, provides the operator be informed about significant events previously determined. With achievement of these data in real time, it is possible to evaluate the security of structure in service, monitor continuously and safety the structure and improve future projects with the definition of maximum displacement structural.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Composição SGO ...17
Figura 2 - (a) Ponte Chirajara sendo construída; (b) Queda da ponte ...18
Figura 3 - (a) Ponte pedonal sendo instalada; (b) Queda da ponte ...19
Figura 4 - (a) Ponte Morandi antes da queda; (b) Ponte Morandi após a queda ...20
Figura 5 - (a) Pilar de apoio danificado; (b) Vista aérea do degrau formado no viaduto ...20
Figura 6 - Quadro esquemático dos métodos de posicionamento ...26
Figura 7 - Componentes do NTRIP ...27
Figura 8 - (a) Localização das áreas da FEC; (b) Estrutura da caixa d’água ...32
Figura 9 - (a) Movimento horizontal no SME. (b) Movimento vertical imposto no SME ...33
Figura 10 - (a) Receptor/antena instalado na base nivelante; (b) Adequação do pino de centragem forçada ...34
Figura 11 - (1) Cabo de energia; (2) Cabo USB; (3) Extensor USB via cabo de rede ...35
Figura 12 - Tela inicial do SiGE ...42
Figura 13 - Informações cadastrais do SiGE ...42
Figura 14 - Organização dos dados e suas variações ...45
Figura 15 - Relatório em Excel emitido pelo SiGE. (a) Coordenadas UTM; (b) Coordenadas Topográfica Local ...45
Figura 16 - Gráficos SiGE - Variações N, E, h ...46
Figura 17 - Alerta SiGE. (a) Via e-mail; (b) Via Telegram ...47
Figura 19 - Fluxograma do processamento do sistema de alerta posicional do SiGE
...49
Figura 20 - Pagina inicial de acesso ao SiGE ...50
Figura 21 - SiGE Web ...50
Figura 22 - Análise dos dados pelas estações SPLI x SPC1 nas componentes N, E, h ...51
Figura 23 - Comportamento gráfico da estrutura nas componentes N, E, h ...52
Figura 24 - Coluna número de satélites inseridas ao SiGE ...55
Figura 25 - (a) Cobertura da RBMC-IP; (b) Cobertura da CEGAT ...55
Figura 26 - Identificação da falha na comunicação nas componentes N, E, h ...56
Figura 27 - Identificação da falha na comunicação e período de instabilidade dos dados nas componentes N, E, h ...57
Figura 28 - SME no ponto 3mm. (a) Pós-Processado Cinemático. (b) RTK/NTRIP..58
Figura 29 - SME no ponto 8mm. (a) Pós-Processado Cinemático. (b) RTK/NTRIP..59
Figura 30: Comportamento dos dados com deslocamento de 0 a 3 mm ...62
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Especificação técnica Receptor/Antena GNSS SP80 Spectra Precision.34 Tabela 2 - Análise estatística dos dados ...54 Tabela 3 - Análise estatística dos dados pós-processados cinemático e RTK/NTRIP ...60 Tabela 4 - Planejamento dos deslocamentos do SME ...61
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ABASs - Aircraft Based Augmentation Systems
CEGAT - Centro Geodésico da Alezi Teodolini CNT - Confederação Nacional do Transporte DER - Departamento de Estradas de Rodagem DGPS - Differential Global Positioning System DGT - Departamento de Geotecnia e Transporte
DNIT - Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution
ERA - Estações de Referência Ativa
FEC - Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo GGA - Global Positioning System Fix Data
GLL - Geographic Position – Latitude/Longitude
GLONASS - Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema GNSS - Global Navigation Satellite Systems
GPRS - General Packet Radio Service GPS - Global Positioning System GSA - GPS DOP and active satellites
GSM - Global System for Mobile Communications GSV - Satellites in view
HTTP - HyperText Transfer Protocol
IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ICAO - International Civil Aviation Organization
INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais MySQL – My Structured Query Language
NBR - Norma Brasileira
NMEA - National Marine Electronics Association
NTRIP - Networked Transport of RTCM via Internet Protocol OAEs - Obras de Artes Especiais
PDA - Personal Digital Assistant ppm – Partes por milhão
RBMC-IP - Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo em Tempo Real RTCM - Rádio Technical Commission for Maritime Services
RTK - Real Time Kinematics
SGO - Sistema de Gerenciamento Informatizado de Obras de Arte Especiais SiGE - Sistema de Gerenciamento Estrutural
SIM - Subscriber Identity Module
SME - Simulador de Movimento Estrutural TCU - Tribunal de Contas da União UHF - Ultra High Frequency
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System USA - United States of America
USB - Universal Serial Bus
UTM - Universal Transversa de Mercator ZDA - Time & Date
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 16 1.1 Considerações preliminares ... 16 1.2 Justificativas ... 22 1.3 Objetivos ... 23 1.4 Estrutura do trabalho ... 23 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 24
2.1 Sistema de Posicionamento Global via Satélites (GNSS) ... 24
2.2 Técnica RTK/NTRIP ... 26
2.3 Características dos dados GNSS ... 30
3 METODOLOGIA ... 32
3.1 Área de estudo ... 32
3.2 Equipamentos utilizados ... 33
3.3 SiGE – Sistema de Gerenciamento Estrutural ... 36
3.3.1 Composição e utilização do SiGE ... 41
3.3.1.1 Sistema de alerta ... 46 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 51 4.1 Acurácia ... 51 4.2 Disponibilidade ... 54 4.3 Continuidade ... 56 4.4 Integridade ... 58 5 CONCLUSÕES ... 64 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 66 APÊNDICE A ... 70 APÊNDICE B ... 72 APÊNDICE C ... 87 ANEXO A ... 91
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações preliminares
Com a chegada da revolução industrial brasileira, na década de 1930, juntamente com a expansão do desenvolvimento econômico para o interior do país, iniciaram-se os grandes investimentos em estradas nacionais. A instalação da indústria automobilística, entre os anos de 1950 a 1960, foi determinante para que o modal rodoviário se estabelecesse no Brasil até os tempos atuais. A importância da infraestrutura viária para o desenvolvimento da economia do país tornou-se primordial. O levantamento do anuário da CNT (Confederação Nacional do Transporte) confirma que a malha rodoviária brasileira soma cerca de 1,7 milhões de quilômetros entre estradas federais, estaduais, municipais e concessionadas em diferentes condições de serviço (CNT, 2017).
Tão importante como construir é manter as estradas e seus elementos constituintes em condições de funcionamento. De forma geral, estruturas viárias apontam uma especial tratativa as OAEs (Obras de Artes Especiais) denominadas como estruturas de pontes, viadutos e túneis (TIMERMAN, 2018).
Em 2012, o TCU (Tribunal de Contas da União) publicou o relatório (TC 009.746/2012-9) e concluiu que o DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes) não possui informações sobre a situação de pontes e viadutos em todo país e que não há um programa para prevenir patologias ou para antecipar colapsos em OAEs e, por isso, agem apenas em danos estruturais graves. O órgão chegou a criar o SGO (Sistema de Gerenciamento Informatizado de Obras de Arte Especiais) e exigiu a manutenção dos dados de todas as inspeções. Neste mesmo documento havia a constatação de que, desde 2004, o banco de dados do SGO não era alimentado pelo DNIT.
O SGO é composto por três subferramentas: SGO Mobile, que reúne as anotações das vistorias de campo; SGO Inspetor, que permite inserir dados da vistoria (como fotos, croquis, vídeos) e o SGO Web, que disponibiliza os dados na Internet, conforme figura 1 (DNIT, 2015).
Figura 1 - Composição SGO
Fonte: DNIT (2015)
O DNIT (2015) declarou que, ao todo, é responsável pela gestão de 5.114 OAEs e que as inspeções são rotineiras. Deste total, 4.020 (78,6%) receberam as visitas de técnicos e que as rodovias apresentavam ótimas condições. Esta foi a última publicação do DNIT sobre inspeções em OAEs no site da entidade. Atualmente, não há nenhuma informação referente ao monitoramento utilizando o SGO. Contudo, as informações relatadas pelo SGO WEB podem não ser aplicadas ou não liberadas ao acesso público para consulta.
Timerman (2018) questionou o número de pontes e viadutos rodoviários existentes nas estradas brasileiras. Segundo ele, os órgãos DNIT e DER (Departamento de Estradas de Rodagem) não sabem os valores exatos referentes a OAEs existentes. No entanto, afirmou que devido ao seu trabalho de inspeção em pontes, permitiu-se fazer um catálogo particular que estima existirem cerca de 120 mil pontes e viadutos nas rodovias que cruzam o país. Relatou ainda que 9 mil destas OAEs estariam sob os cuidados de concessionárias. Quanto às demais não há registros de manutenção firmados pelo DNIT ou DER.
No Brasil, há normas e manuais publicados por entidades nacionais como a ABNT 9452 (2016) “Inspeção de pontes, viadutos e passarelas de concreto – Procedimento”; DNIT (2004) “Manual de inspeção de pontes rodoviárias”; DNIT (2010) “Manual de recuperação de pontes e viadutos rodoviários”; DNIT (2016) “Manual de manutenção de Obras de Arte Especiais – OAEs”.
Baseando-se na norma 9452 (2016), as inspeções são divididas em: Cadastral, Rotineira, Especial e Extraordinária. Nas inspeções Cadastral e Rotineira são utilizadas apenas recursos cadastrais (formulários) e registros fotográficos que ilustram a situação atual da estrutura, sendo que a inspeção rotineira ocorre a cada dois anos. Logo, é possível identificar que estas inspeções são basicamente visuais, não levando-se em conta o comportamento da estrutura em uso. As anomalias das estruturas são levadas em consideração a partir da inspeção especial, realizada a cada cinco anos, com a execução de ensaios laboratoriais mais conclusivos. A inspeção extraordinária é realizada quando há uma ocorrência de impacto, como
desestabilização da estrutura por desgaste ao uso ou por causas naturais (inundações, eventos sismos, etc.), sendo esta uma inspeção mais específica. O DNIT inseriu ao manual de inspeção de pontes rodoviárias (2004) a inspeção Intermediária, realizada quando recomendado por inspeções anteriores. As OAEs também são avaliadas de acordo com seus paramentos estruturais, funcionais e durabilidade que, por fim, atribuem uma nota de classificação geral de suas condições de funcionamento.
Diante do exposto, fica claro que no Brasil os estudos e normas sobre inspeção e gerenciamento de OAEs não são suficientemente integrados. Não há um número exato de estruturas existentes e ao menos a quem estas estruturas de fato pertencem. Nestas condições, não há como afirmar a quem de fato cabe a responsabilidade do monitoramento de OAEs. E ainda, se estrutura vem sendo avaliada de forma qualitativa e não quantitativa.
Apenas em 2018, quatro grandes acidentes (nacionais e internacionais) envolvendo OAEs foram registradas em suas diferentes fases de construção, operação e manutenção.
O primeiro acidente ocorreu no dia 15 de janeiro de 2018. A ponte Chirajara, na Colômbia, desabou ainda em construção, na estrada que liga Bogotá a Villavicencio (figura 2). Com 446 metros de extensão e 280 metros de altura, a ponte estaiada seria entregue em março de 2018.
Figura 2 - (a) Ponte Chirajara sendo construída; (b) Queda da ponte
(a) (b) Fonte: G1 Mundo (2018)
No dia 15 de março de 2018 a ponte pedonal em Miami, nos Estados Unidos, desabou (figura 3). A ponte foi projetada para que alunos pudessem atravessar com segurança a rodovia de seis pistas que fica entre o campus de uma universidade e uma área residencial. Em apenas cinco dias a ponte para pedestres foi construída. Embora a ponte ainda não estivesse aberta ao público, a passagem de veículos sob ela foi permitida. Com a queda da estrutura, oito carros ficaram sob os escombros.
Figura 3 - (a) Ponte pedonal sendo instalada; (b) Queda da ponte
(a) (b) Fonte: BBC (2018)
No dia 14 de agosto de 2018, uma seção da ponte Morandi em Gênova, na Itália, desabou. A ponte que atravessa a cidade portuária de Gênova tinha cerca 100 metros de altura e 1.182 metros de comprimento (figura 4). Ela foi construída nos anos de 1960. O governo Italiano havia iniciado um projeto de reforma na estrutura no ano de 2016.
Figura 4 - (a) Ponte Morandi antes da queda; (b) Ponte Morandi após a queda
(a) (b) Fonte: BBC (2018)
Na madrugada do dia 15 de novembro de 2018 o viaduto localizado na via expressa da Marginal Pinheiros, na Zona Oeste da cidade de São Paulo – SP, ruiu em uma das juntas de dilatação, formando um degrau de aproximadamente dois metros de altura (figura 5). Os motoristas que trafegavam pelo viaduto sofreram ferimentos leves. O viaduto foi reerguido com auxílio de macacos hidráulicos e pilares de sustentação. Grande parte do trecho foi interditado (de cerca de 10 km), afetando diretamente o trânsito de veículos na capital do estado.
Figura 5 - (a) Pilar de apoio danificado; (b) Vista aérea do degrau formado no viaduto
(a) (b) Fonte: G1 (2018)
Dentre os acidentes relacionados, é importante ressaltar as diferentes condições de ruptura destas estruturas. A ponte Chirajara estava em fase de construção e a ponte pedonal acabava de ser construída. A ponte Morandi necessitava de manutenção pelo desgaste ao uso e o viaduto de São Paulo ruminou por possíveis falhas na elaboração do projeto ou na execução da obra. Contudo, nota-se a importância em abordar um sistema de prevenção/manutenção em OAEs.
Segundo Larocca (2004), as OAEs são mais sujeitas a ações de forças estáticas e dinâmicas, podendo causar deslocamentos que se caracterizam por sua amplitude, direção e comportamento temporal. As amplitudes podem variar de milímetros a metros, o que depende diretamente do tipo de estrutura, tamanho e rigidez dos elementos estruturais. As ações dinâmicas são resultantes das ações de agentes externos às obras, como o vento, a variação de temperatura, chuvas intensas (aumento do volume excessivo de água), cargas móveis (veículos de grande porte sobre pontes), ações sísmicas, entre outros. Estas ações podem provocar estados limites últimos, relacionado ao colapso ou qualquer outra forma de ruína estrutural, que paralise a utilização da estrutura.
Conforme a NBR 6118/2014, estados limites são ocasionados por vibração excessiva e são verificados quanto à frequência considerada crítica ou pela fadiga dos materiais. Este fenômeno associa-se as ações dinâmicas repetidas que ativam o processo de modificações progressivas e permanentes da estrutura interna de um material.
A manutenção da estrutura é essencial, mesmo que o projeto e a obra tenham sido construídos da melhor forma possível. Faz-se necessário um plano de monitoramento contínuo e/ou periódico, de acordo com as grandezas admissíveis de cada estrutura, pois o único modo de reduzir efeitos de catástrofes estruturais ocasionadas por processos de deterioração, desgaste ao uso ou por solicitações naturais são por meios de acompanhamento e manutenção preventiva, para que estes processos de deterioração não se acelerem e se acentuem (BERNASCONI, 2011).
A incorporação de métodos de monitoramento no comportamento da estrutura torna-se crescente devido ao alto custo de recuperação de obras. A comunidade científica procura criar sistemas que induzam a sensibilidade às OAEs. Um sistema
que seja capaz de informar, instantaneamente, o estado de “saúde” da estrutura e ao mesmo tempo que seja capaz de ajustar o sistema estrutural ao meio ambiente (FIGUEIREDO, 2006).
A tecnologia GNSS (Global Navigation Satellite Systems), no final da década de 1980, começou a ser utilizada em estudos de caracterização dos deslocamentos dinâmicos de estruturas de grande porte. Graças à sua precisão tridimensional, o GNSS é utilizado em uma ampla variedade de tarefas de monitoramento de movimento em estruturas antrópicas, identificando as variações conforme sua deformação. O GNSS é considerado mais uma ferramenta possível de ser utilizada para tarefa de monitoramento, sendo capaz de satisfazer rigorosos requisitos de precisão com uma variedade em marcas e modelos de receptores/antenas GNSS que podem ser instalados permanentemente em locais apropriados e controlados remotamente (WELLS, BECK, et al., 1999).
1.2 Justificativas
Atualmente as inspeções Cadastrais e Rotineiras em OAEs são basicamente desempenhadas em inspeções visuais realizadas por técnicos in loco. Devido a isto, as conclusões referentes ao diagnóstico inicial da estrutura bem como sua classificação nos aspectos de segurança estrutural, funcionalidade e durabilidade estão embasadas em uma caracterização rudimentar e pessoal.
Embora o sistema GNSS apresente características únicas, ou seja, restrições ao monitoramento em pontes de concreto armado, Larocca (2015) e Araújo Neto (2017) propõem o monitoramento com GNSS como uma ferramenta capaz de auxiliar, de forma integrada, os instrumentos e as técnicas tradicionais já existentes. Hoje, as inspeções Especiais e Extraordinárias contam com equipamentos auxiliares no processo de identificação de futuras anomalias como pacômetro, sensores e ultrassons (geotécnicos e estruturais), Estações Totais e até mesmo VANT/SARP na identificação de anomalias de difícil acesso.
A ferramenta GNSS integraria perfeitamente aos equipamentos utilizados nas inspeções Cadastral, Rotineira e até mesmo na Inspeção Especial atendendo aos requisitos de: localização das estruturas, cadastramentos das estruturas
monitoradas; identificação do comportamento funcional da estrutura em serviço (sendo este uma ferramenta não destrutiva); monitoramento estrutural em tempo real, (podendo auxiliar inclusive no controle de tráfegos sobre OAEs); armazenamento dos dados monitorados (em rede e na web) e, por fim, a inclusão de um sistema de alerta posicional com comunicação online.
1.3 Objetivos
Desenvolver um sistema de monitoramento estrutural em tempo real para obras viárias e a criação de um sistema de alerta posicional com comunicação online.
1.4 Estrutura do trabalho
No capítulo 2 será apresentado a revisão bibliográfica acerca do assunto, envolvendo o posicionamento GNSS, a técnica RTK (Real Time Kinematics) via protocolo NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) e a abordagem dos dados GNSS.
No capítulo 3 serão descritos toda a metodologia utilizada, desde a localização da área de estudo, os equipamentos utilizados, a apresentação e a utilização do software SiGE.
No capítulo 4 será discutido os resultados dentro do contexto de acurácia, disponibilidade, continuidade e integridade dos dados GNSS. Por fim, o capítulo 5 traz as conclusões deste trabalho.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Sistema de Posicionamento Global via Satélites (GNSS)
O termo GNSS foi proposto na 10ª Conferência de Navegação Aérea em 1991, quando a ICAO () designou os sistemas de posicionamento por satélites artificiais com cobertura mundial. Os sistemas GNSS são considerados plenamente operacionais e com alcance global, contemplado pelo sistema americano (Global Positioning System), o sistema russo (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), o sistema europeu e o sistema chinês Beidou. O sistema de posicionamento por satélite possui características importantes como precisão, disponibilidade, continuidade e integridade dos serviços. Com vários sistemas de satélites unidos, melhora-se a geometria das constelações e disponibilidade de sinal, garantindo assim uma maior integridade e confiança aos usuários do sistema (SEEBER, 2003).
O princípio básico de navegação pelo GNSS consiste na medição de distâncias entre o receptor/antena e, pelo menos, quatro satélites. Do ponto de vista geométrico, apenas três distâncias, desde que não pertencentes ao mesmo plano, seriam suficientes. Nesse caso, o problema se reduziria à solução de um sistema de três equações, as três incógnitas (X, Y e Z). Uma quarta medição/observação é necessária em razão do não sincronismo entre os relógios dos satélites e do receptor/antena, adicionando uma incógnita (T) ao problema (MONICO, 2008).
Chaves (2001) subdivide os erros envolvendo o posicionamento GNSS em quatro fontes, sendo estes os erros nos satélites, os erros na propagação do sinal, os erros no receptor/antena e os erros na estação. A fonte de erros referente aos satélites corresponde a erros orbitais (efemérides), erros do relógio (oscilador), efeitos relativísticos e atraso de grupo. As fontes de erros na propagação do sinal dizem respeito à refração troposférica, refração ionosférica, multicaminhamento de sinais, perdas de ciclos e rotação da Terra. As fontes de erros no receptor/antena referem-se ao erro do relógio, erros entre canais e centro de fase da antena e, por fim, os erros na estação referem-se a coordenada da estação, marés terrestres, movimento do polo, carga dos oceanos e carga da atmosfera.
Com a modernização do sistema e melhoria na acurácia, o GNSS vem ganhando mercado nos mais diversos campos de trabalhos, destacando-se como
uma tecnologia capaz de dar suporte no controle de deformações de estruturas, tornando-se essencial ao estudo e emprego de métodos e tecnologias de monitoração, contribuindo assim para a prevenção de catástrofes envolvendo obras artificias e naturais (CHAVES e SEGANTINE, 2014). Ainda segundo Chaves (2001) as deformações estruturais correspondem às variações das coordenadas de pontos com relação a um referencial. Os deslocamentos relativos entre os pontos resultam numa mudança de configuração, ou seja, em uma deformação.
O posicionamento GNSS diz respeito à determinação da posição de objetos com relação a um referencial específico. Baseando-se nisso, há vários sistemas de posicionamento que foram desenvolvidos com o intuito de explorar a capacidade dos sistemas GNSS em aplicações na superfície da Terra, ou próximo a ela. Com relação ao levantamento dos dados GNSS, estes podem então ser classificadas em: Posicionamento absoluto, quando as coordenadas estão associadas diretamente ao geocentro, ou seja, são determinadas diretamente por um único receptor/antena; Posicionamento relativo, onde as coordenadas são determinadas em relação a um referencial materializado por um ou mais vértices com coordenadas conhecidas. O objeto a ser monitorado pode estar em dois estados: Em repouso (estático) ou em movimento (cinemático). O posicionamento relativo cinemático poderá ser pós processado ou em tempo real. Um posicionamento relativo cinemático pós processado requer um receptor denominado como estação de referência enquanto o outro se desloca sobre as feições de interesse. Normalmente o processamento dos dados requer um software de processamento onde vários erros envolvidos nas observáveis são reduzidos. No posicionamento relativo em tempo real, os dados coletados na estação de referência são transmitidos para a estação móvel, necessitando-se de um link de rádio ou por meio da Internet via GSM (Global System for Mobile Communications). O receptor/antena da estação móvel deve dispor de um software apropriado para a realização do processamento dos dados em tempo real, com a solução instantânea do vetor de ambiguidades. (MONICO, 2008; SEEBER, 2003).
Langley (1998) ilustra o posicionamento GNSS com relação a técnica abordada, o tipo de comunicação utilizado e o processamento dos dados, conforme figura 6.
Figura 6 - Quadro esquemático dos métodos de posicionamento
Fonte: Adaptado de Langley (1998)
Contudo, será abordado nesta pesquisa, a técnica de posicionamento RTK, onde as correções dos sinais dos satélites GNSS são transmitidos em tempo real via GSM, da estação de referência para uma estação a qual se deseja determinar as coordenadas, representada pelo SME.
2.2 Técnica RTK/NTRIP
Para atender aos requisitos de precisão dos dados em tempo real, cientistas e engenheiros desenvolveram a técnica de posicionamento RTK. A maioria das aplicações requer coleta de dados em tempo real com a precisão do posicionamento na escala de milímetros para decímetros, podendo então se beneficiar com o uso desta técnica (LANGLEY, 1998).
A técnica RTK baseia-se em transmitir os dados de fase da portadora e código pseudodistância de uma estação de referência para a estação do usuário em tempo real. Ela permite a resolução das ambiguidades para linha de base entre as
estações de referência e o receptor/antena de forma instantânea com uma determinação confiável do vetor de linha de base em tempo real ou quase em tempo real (com intervalos de coleta de dados maiores que um segundo) (SEEBER, 2003). Nesta técnica, os usuários recebem a correção diferencial por uma ou várias estações de referência, o que determina as suas posições em relação a estas por uma solução fixa de ambiguidade. Em aplicações práticas, é desejável entender o alcance do RTK em diferentes linhas de base (curtas e longas), pois os erros espaciais da troposfera, ionosfera e erros orbitais estão proporcionalmente ligados ao comprimento da linha de base, conforme LEICK, et al. (2015).
A necessidade de mais flexibilidade e eficiência no envio das observações de fase do receptor/antena base para o receptor/antena móvel fez com que fosse desenvolvida a tecnologia integrada ao sistema de comunicação móvel GSM, GPRS (General Packet Radio Service), EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) ou UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) (ROGOWSKI, et al., 2004).
Desenvolvida pela Agência Federal de Geodésia e Cartografia de Frankfurt, na Alemanha, o NTRIP é um protocolo de transmissão de dados, liberada ao público desde setembro de 2004. Este foi projetado para disseminar as observações de fase para diversos usuários da Internet fixa ou móvel simultaneamente. Este serviço transmite o protocolo via RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services), assim como o faz a conexão de rádio convencional, diferenciando apenas pelo método de envio (GUTERRES, 2009).
Costa, et al. (2008) e Guterres (2009) descrevem o NTRIP como um sistema subdividido em quarto componentes, sendo eles: O NTRIP Source, o NTRIP Server, o NTRIP Caster e o NTRIP Client, conforme figura 7.
Figura 7 - Componentes do NTRIP
Fonte: Adaptado de COSTA, et al. (2008)
O NTRIP Source é caracterizado por ser um sistema que disponibiliza um fluxo de dados GNSS continuamente. Geralmente o NTRIP Source é representado por um receptor/antena de dados contínuos, como o caso das estações de referência da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). O NTRIP Server é o aplicativo que cria um canal de transferência de dados entre o receptor/antena GNSS instalado em uma estação de referência e o NTRIP Caster. O NTRIP Caster é basicamente um servidor HTTP (HyperText Transfer Protocol), que organiza os NTRIP Source; ele é um aplicativo que preferencialmente deve ficar instalado em um servidor do centro de controle de dados de uma rede de referência, como por exemplo, a RBMC-IP e o CEGAT (Centro Geodésico da Alezi Teodolini). Neste Caster convergem várias estações de referência e cada uma delas tem um identificador denominado de mountpoint. A responsabilidade do Caster, além da distribuição das correções GNSS, é verificar a qualidade e integridade dos dados recebidos. O acesso às correções são realizadas selecionando no NTRIP Client por um aplicativo que o usuário do servidor precisa ter. Com ele é possível acessar os dados de um NTRIP Caster escolhendo um mountpoint. Em alguns casos, o receptor/antena móvel já consegue acessar o Caster diretamente sem a necessidade de um computador ou
PDA (Personal Digital Assistant), funcionando como Client, como o caso desta pesquisa, onde o receptor/antena móvel comunicou-se diretamente via bluetooth.
O uso da técnica RTK/NTRIP tem por finalidade a diminuição das interferências na transmissão das ondas de rádio através da disponibilidade dos serviços de Internet e telefonia celular. Devido aos efeitos dos erros atmosféricos (ionosfera e troposfera), refração, órbita dos satélites entre outros, ao utilizar a tecnologia RTK/NTRIP é recomendável o uso de linhas de base mais próximas a estação de referência (COSTA, et al. 2008).
No que diz respeito a proximidade das estações de referência em relação ao ponto monitorado, Cintra, et al. (2011) descreve que a variação da acurácia da técnica RTK/NTRIP está diretamente relacionada à distância entre as estações de referência e de interesse, pois o fator ambiguidade é o mais tendencioso a erros, bem como o tipo de equipamento utilizado. Seus experimentos consistiram no levantamento de pontos de coordenadas conhecidas e análise dos erros obtidos por levantamentos com linhas de base curta e em distâncias crescentes, em função dos limites previstos para a técnica RTK. Concluiu-se que em distâncias de até 10 km para L1 e cerca de 100 km para a L1/L2 a precisão obtida atende aos requisitos de mapeamento classe A, segundo os padrões de precisão cartográfica (PEC) do IBGE. No caso, a precisão L1/L2, foi de 0,33 cm na coordenada h. Os resultados de estações muito distantes como a de Manaus, com cerca de 3.000 km de distância de linha de base, atingiu cerca de 70 cm na coordenada h, dando em si uma ideia da potencialidade atual do sistema, que pode ser melhorada quando houver mais estações RBMC-IP e uma cobertura de telefonia celular mais abrangente em todo o país.
Estudos de caso como a aplicação de monitoramento de estruturas com o uso da técnica RTK/NTRIP são apresentados por Burity (2016). O autor descreve que o uso de técnicas de posicionamento por satélite traz a agilidade, a precisão necessária e um sistema de monitoramento de baixo custo para tomada de decisões preventivas no controle de deformações de áreas construídas e encostas. Tang, et al. (2017), demostra a potencialidade da técnica RTK/NTRIP no comportamento de grandes estruturas com estudos realizados no Reino Unido como a ponte Severn, onde as observações realizadas ao longo da ponte mostraram deslocamento centimétrico.
Rogowski, et al. (2004) enumera diversas vantagens do serviço NTRIP, entre elas: acesso simples aos dados da estação base; acesso múltiplo limitado apenas pela capacidade do link; não há necessidade de construir estações de rádio especiais para distribuição de dados; equipamento de usuário fácil e barato; medições rápidas que garantem alta precisão, o suficiente para a maioria das aplicações civis.
A implantação da técnica RTK/NTRIP dependerá diretamente do número de ERA (Estações de Referência Ativa) GNSS estabelecidas em uma determinada área, bem como a necessidade da cobertura da conexão GSM. Estes são os principais desafios para a consagração desta técnica no território brasileiro devido a sua dimensão continental e a parcial cobertura da conexão GSM que hoje se restringe apenas aos principais centros urbanos (GUANDALINI, 2012).
No Brasil, o IBGE foi o pioneiro na disponibilização de dados de correções por uma Rede NTRIP. A RBMC-IP é um serviço para posicionamento em tempo real a partir das estações da RBMC e o protocolo NTRIP para usuários que fazem uso da técnica RTK ou DGPS nos seus levantamentos (IBGE, 2017).
2.3 Características dos dados GNSS
A confiabilidade dos dados coletados por receptores/antenas GNSS está diretamente relacionada ao desempenho do sistema utilizado, associando a confiabilidade dos dados aos conceitos de acurácia, disponibilidade e continuidade, a fim de garantir a integridade dos dados obtidos.
Langley (1999) descreve a acurácia como um valor medido concorda com um valor referência. O valor referência deve ser um valor verdadeiro, um valor conhecido. Um erro de medição é simplesmente a diferença entre o valor obtido ao valor de referência. Ao fazer uma série de medições repetidas e calcular o valor médio, a diferença entre a média e o valor de referência é chamado de erro sistemático. Em relação a disponibilidade de um sistema de navegação, este refere-se à sua capacidade de fornecer a função necessária de derefere-sempenho dentro da área de cobertura especificada no início de uma operação pretendida. Todo sistema de monitoramento deve estar disponível aos usuários. Porém, devido à manutenção ou interrupções imprevisíveis, um sistema pode estar indisponível em um
determinado momento. Contudo, a continuidade é a capacidade total de um sistema de navegação funcionar sem interrupção durante todo período de operação pretendido. Por fim, a integridade GNSS protege os usuários contra anomalias do sistema. Se os dados GNSS resultar em uma precisão inaceitável, o sistema deve detectar e avisá-lo. A Integridade caracteriza um sistema capaz de fornecer este aviso em tempo útil quando os dados não cumprem a sua precisão declarada.
Teunissen e Montenbruck (2017) abordam a acurácia, integridade, disponibilidade e continuidade dos dados GNSS como alternativas de detecção de falhas em sistemas de aumento baseados em aeronaves, os Aircraft Based Augmentation Systems (ABASs). O sistema descreve a acurácia como uma medida do erro de posição, sendo a diferença entre a posição estimada e a posição verdadeira, que será experimentada por um usuário com uma certa probabilidade em qualquer instante no tempo. A acurácia também pode ser descrita como a posição que uma aeronave deveria estar, ou próximo a sua posição verdadeira. Geralmente, caracteriza-se os erros e os expressa por um número de confiança de 95%. A Integridade em um sistema de navegação deve garantir que nenhum erro de posição seja maior que um limite máximo tolerável. Todas as falhas que poderia levar a maiores erros de posição deve ser sinalizado dentro de um limite de alerta especificado (LA) e a probabilidade de não sinalizar tal falha deve estar abaixo de
uma probabilidade por operação, tipicamente entre 10 a 10 ,dependendo da
operação. A continuidade, uma vez que a aeronave inicia uma operação crítica, deve continuar até que a operação esteja concluída. A probabilidade permitida de uma indisponibilidade do sistema de navegação aéreo durante uma operação de aproximação de aeronave, varia de 10 a 10 por operação. A disponibilidade do
sistema de navegação deve ser funcional e satisfazer os requisitos acima, em uma grande fração do tempo, a fim de ser útil para as aeronaves. De fato, a aviação requer uma melhor disponibilidade, variando de 99-99,999% do tempo. É inseguro e antieconômico enviar um avião para o aeroporto apenas para descobrir se o pouso estará disponível ou não.
3 METODOLOGIA
3.1 Área de estudo
O estudo foi realizado na UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas), na FEC (Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo), localizada na rua Saturnino de Brito, n° 224, Cidade Universitária, Campinas - SP. Os equipamentos foram instalados na estrutura da caixa d’água, ao lado do DGT (Departamento de Geotecnia e Transporte), onde também encontra-se instalado a estação da RBMC-SPC1. A figura 8 representa a localização destas áreas.
Figura 8 - (a) Localização das áreas da FEC; (b) Estrutura da caixa d’água
Fonte: Imagem Google Earth (2017)
A estrutura da caixa d’água foi construída em concreto armado e alvenaria de vedação, caracterizada como uma estrutura estável, fixa e segura. Por se tratar de uma estrutura com 9,45 metros de altura, esta favoreceu as observações GNSS. O local tornou-se favorável por não contar com as perturbações geradas pelos efeitos de multicaminhamentos, com uma área livre de obstáculos naturais e artificiais.
Com o intuito de desenvolver um sistema de monitoramento estrutural em tempo real para obras viárias, por meio da técnica RTK/NTRIP, esta pesquisa abordou duas campanhas distintas com diferentes estações de referência, sendo estas a estação SPC1, pertencentes a RBMC-IP (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Sistemas GNSS em Tempo Real), localizada na cidade de Campinas – SP, com 5,95 metros de linha de base; E a estação SPLI, pertencente ao CEGAT, localizada na cidade de Limeira – SP, com 46,7 quilômetros de linha de base.
3.2 Equipamentos utilizados
Para facilitar o manuseio do receptor/antena GNSS na estrutura, utilizou-se um acessório chamado “adaptador V” de nível a laser. Este adaptador possui um parafuso de fixação para instalação de uma base nivelante. Os movimentos horizontais são simulados por um trilho com parafusos de fixação em suas extremidades. Os movimentos verticais são simulados por uma barra graduada e dois parafusos que funcionam como travas. Este equipamento foi fixado na estrutura da caixa d’água de forma a garantir somente os movimentos impostos ao SME, conforme ilustrado pela figura 9.
Figura 9 - (a) Movimento horizontal no SME. (b) Movimento vertical no SME
(a) (b)
A base nivelante utilizada nas medições é composta pelo prumo ótico AJ12-D da fabricante Xpex. O uso da base garantiu o nivelamento do equipamento na estrutura e a fixação do pino ao receptor/antena.
O pino (parafuso de aço 5/8”) de centragem forçada fixo a base nivelante foi adaptado, conforme figura 10, uma vez que o receptor/antena necessitaria de trocas de baterias, manuseio dos cabos USB (Universal Serial Bus) e do cabo de energia. O receptor/antena instalado diretamente na base nivelante impossibilitaria a abertura do compartimento das baterias e, com isso, interromperia o monitoramento contínuo em tempo real.
Figura 10 - (a) Receptor/antena instalado na base nivelante; (b) Adequação do pino de centragem forçada
(a) (b)
Para coleta dos dados, utilizou-se o receptor/antena GNSS SP80 da fabricante Spectra Precision, com comunicação GSM para operações com a técnica RTK e correção em tempo real, via protocolo NTRIP. A tabela 1 descreve as especificações técnicas da fabricante.
Tabela 1 – Especificação técnica Receptor/Antena GNSS SP80 Spectra Precision Especificações técnicas SP80
Características do
GNSS (Comunicação) Interface Operação Acurácia - Tempo Real Processamento Acurácia - Pós ■ Completa utilização de sinais de todos os 6 sistemas GNSS (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo, QZSS e SBAS) ■ Até 20HZ (taxa de latência) de dados brutos em tempo real ■ Até 20HZ (taxa de latência) de dados brutos em tempo real ■ Serial RS232 ■ USB2.0 / UART ■ Bluetooth 2.1 + EDR ■ WiFi (802.11 b/g/n) ■ Módulo 3.5G quad-band GSM ■ Memória Interna 2GB ■ Cartão de memória SD/SDHC removível ■ Softwares de Campo para coletores: Survey Pro e FAST Survey
■ RTK móvel & base ■ RTK em rede móvel ■ NTRIP, IP direto ■ Modo Pós processamento ■ Posição DGPS Horizontal: 25 cm + 1 ppm Vertical: 50 cm + 1 ppm ■Posicionamento em Cinemático (RTK) Horizontal: 8 mm + 1 ppm Vertical: 15 mm + 1 ppm ■ Rede RTK Horizontal: 8 mm + 0.5 ppm Vertical: 15 mm + 0.5 ppm ■ Estático e Estático Rápido Horizontal: 3 mm + 0.5 ppm Vertical: 5 mm + 0.5 ppm ■ Estático de Alta Precisão Horizontal: 3 mm + 0.1 ppm Vertical: 3.5 mm + 0.4 ppm
As baterias do receptor/antena possuem duração de aproximadamente oito horas, impossibilitando o monitoramento contínuo em tempo real. Com isso, foi necessário a utilização do cabo de energia (1) para que as baterias permanecessem ligadas a uma fonte de energia elétrica. A comunicação entre o receptor/antena e o computador foi realizada via cabo USB (2). Para auxiliar esta comunicação, utilizou-se o extensor USB via cabo de rede UTP RJ45(3), garantindo uma distância de até 60 metros entre o receptor/antena e o computador. A figura 11 ilustra o posicionamento dos cabos de energia (1) e comunicação (2) e (3) do receptor/antena.
Figura 11 - (1) Cabo de energia; (2) Cabo USB; (3) Extensor USB via cabo de rede
O receptor/antena GNSS SP80 possui um conector compatível cartão SIM (Subscriber Identity Module) da rede de telefonia celular, por meio da qual é realizado o acesso à Internet e ao servidor NTRIP, sem a necessidade de um computador. A comunicação do receptor/antena com a estação de referência e acionada pela coletora do receptor/antena, via bluetooth.
Por se tratar de um monitoramento em tempo real, utilizou-se diferentes linhas de base, a fim de identificar a acurácia, a continuidade, a disponibilidade e a integridade do método. Utilizou-se como estações de referências as estações SPC1,
3
2
3
1
pertencente a RBMC-IP, situada em Campinas e a SPLI pertencente ao CEGAT, situada na cidade de Limeira, ambas no estado de São Paulo. O relatório com as informações das estações SPC1 e SPLI, encontram-se no anexo A, respectivamente.
A estação SPC1 - Campinas possui um receptor Trimble NETR9, com antena Zephyr GNSS Geodetic II, com precisão para o método RTK de 8mm + 1ppm na horizontal e 15 mm +1ppm na vertical, estando a 5,95 metros de linha de base do receptor/antena em estudo; A estação SPLI – Limeira, possui um receptor R8 GNSS Trimble, com precisão para o método RTK de 10mm + 1ppm na horizontal e 20mm +1ppm na vertical, estando a aproximadamente a 46,7 quilômetros de linha de base entre o receptor/antena. As configurações para ambas as coletas foram idênticas.
Após planejamento e instalação do SME na caixa d’agua, iniciou a coleta de dados. As campanhas ocorreram nos períodos de 13/12/17 a 12/01/18 (primeira campanha) e 01/08/18 a 12/09/18 (segunda campanha).
Ao conduzir os experimentos, configurou-se o receptor/antena SP80 para uma máscara de elevação de 10° e 5 segundos de intervalo de gravação, recebendo as coordenadas corrigidas e as enviando ao SiGE por meio da codificação NMEA (National Marine Electronics Association) via comunicação serial.
Basicamente, a comunicação NTRIP funcionou da seguinte forma: o receptor/antena SP80 estabeleceu uma comunicação via GSM com a estação de referência definida (SPC1 ou SPLI). A estação de referência, por sua vez, enviou as observáveis ao receptor/antena, que de forma instantânea, encaminhou ao SiGE os dados GNSS já corrigidos, juntamente com as demais sentenças via codificação NMEA. As demais sentenças foram: data, horário, número de satélites visíveis e número de satélites ativos. Todas essas sentenças foram selecionadas pelo receptor/antena por meio da coletora. Todo conteúdo selecionado era enviado ao SiGE pela comunicação serial. O SiGE então foi a ferramenta responsável por recolher a série de dados, disponibilizar as informações de forma automática ao usuário e a calcular os parâmetros do alerta posicional.
3.3 SiGE – Sistema de Gerenciamento Estrutural
Para identificar o comportamento da estrutura em tempo real, por meio das observações obtidas pela técnica RTK/NTRIP, seria necessário um software que
fosse capaz de demonstrar claramente as deformações/deslocamentos da estrutura a cada coordenada recebida, identificando instantaneamente os movimentos nas componentes planimétricas N, E ou X, Y e na componente altimétrica h geométrica. A partir deste conceito, o sistema SiGE foi criado. Todo o sistema foi desenvolvido em linguagem de programação Delphi7, com o armazenamento dos dados em MySQL (My Structured Query Language).
A Ashtech, fabricante do equipamento Spectra SP80, disponibiliza os formatos aprovados da sentença NMEA, sendo os seguintes utilizados pela leitura do SiGE: GGA (Global Positioning System Fix Data); GLL (Geographic Position – Latitude/Longitude); ZDA (Time & Date); GSV (Satellites in view) e GSA (GPS DOP and active satellites) (THE NMEA, 2001).
Com o interesse em desenvolver aplicações de automação para controlar e interagir com equipamentos GNSS, a linguagem de programação Delphi7 foi uma ótima opção no que refere-se a interface gráfica. Uma de suas principais vantagens é a possibilidade de expandir suas características e funcionalidades, muitos dos quais são fornecidos gratuitamente pela Internet, possibilitando desenvolver e criar aplicações que necessitam comunicar-se por meio da porta serial de maneira rápida e simples (FONTE, 2010). O banco de dados MySQL possui um alto poder de execução e de armazenamento, podendo armazenar grandes volumes de dados, além de ser compatível com diversos sistemas operacionais. (TEIXEIRA, 2013).
Por meio da comunicação serial do receptor/antena GNSS SP80 com o SiGE, uma série de dados foram coletados a cada 5 segundos (programado pela coletora). As coordenadas geodésicas, (latitude𝜑 e longitude𝜆), juntamente com data e horário, foram armazenadas pelo sistema, porém, para facilitar a compreensão dos dados GNSS obtidos, as coordenadas foram convertidas em coordenadas planas retangulares UTM (Universal Transversa de Mercator), pelo SiGE. Para isto, a coordenada geodésica (𝜑,𝜆), (em grau decimal) teve sua unidade convertida para grau, minuto e segundo, e por fim, convertida para coordenadas UTM (em metros). Para que esta transformação ocorresse, a equação 1 referente a conversão de Coordenadas Geodésicas em para Coordenadas UTM foi incorporada ao SiGE.
Equação 1 - Conversão de Coordenadas Geodésicas em Coordenadas UTM
𝑁 = 𝐾 . 𝐵 + 𝐾 ∆λ" 1
2 𝑁 . sin 𝜑. cos 𝜑. sin ²1" +∆λ" 1
24𝑁 . sin 𝜑. cos 𝜑 sin 1" . 5 − 𝑡 + 9 η + 4 η +∆λ" 1
720𝑁 . sin 𝜑. cos 𝜑. sin 1" . 61 − 58𝑡 +720 η − 350𝑡 η 𝐸 = 𝐾 ∆λ". 𝑁 . cos 𝜑. sin 1" +∆λ" 1 6𝑁 . cos 𝜑. sin 1" . 1 − 𝑡 + η +∆λ" 1 120𝑁 . cos 𝜑. sin 1" . 5 − 18𝑡 +𝑡 + 14 η − 58𝑡 η Onde: ∆λ" = (λ − λ ). 3600
𝐵 = 𝛼. 𝜑 − 𝛽. sin 2 𝜑 + 𝛾. sin 4 𝜑 − 𝛿. 𝑠𝑖𝑛 6𝜑 + 𝜀. 𝑠𝑖𝑛 8𝜑 − ξ. sin 10 𝜑
𝑁 = 𝑎 1 − 𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑡 = 𝑡an𝜑 η = 𝑒 cos 𝜑 𝑁 = 𝑁 no hemisfério norte 𝑁 = 𝐾 − 𝑁 no hemisfério sul
𝐸 = 𝐾 + 𝐸 ponto a leste do meridiano central do fuso 𝑁 = 𝐾 − 𝐸 ponto a oeste do meridiano central do fuso
Vale ressaltar que todo referencial utilizado nas medições, inclusive pelo SiGE, está embasado no sistema geodésico de referência SIRGAS2000.
Outro aspecto abordado foi a opção de análise dos dados em coordenadas topográficas locais. As coordenadas plano-retangulares (X, Y) que serão apresentadas no sistema topográfico local arbitrário são obtidas a partir de suas coordenadas geodésicas transmitidas pelo receptor/antena (𝜑,𝜆) e das coordenadas
geodésicas da origem do sistema (𝜑 ,𝜆 ). Às coordenadas plano-retangulares da origem do sistema topográfico local arbitrário (neste estudo, considerou-se como arbitraria a Estação SPC1) são adicionados os termos constantes 150000,000
metros e 250000,000 metros, respectivamente, para a abscissa (X) e para a ordenada (Y), evitando valores negativos nos demais pontos da área de abrangência do sistema. Torna-se válido ressaltar que a origem do sistema topográfico local deve estar posicionada, geograficamente, de modo que nenhuma coordenada plano-retangular tenha valor superior a 50 km, conforme descritas pela NBR 14166 (ABNT,1998).
A partir das coordenadas plano-retangulares dos pontos geodésicos de apoio imediato são obtidas as coordenadas plano-retangulares dos pontos levantados, de acordo com a equação 2 apresentadas a seguir:
Equação 2 - Conversão de Coordenadas Geodésicas em Coordenadas Topográfica Local 𝑋 𝑥 𝑘 𝑌 𝑦 𝑘 𝑥 = 𝑦 = 0 𝑘 . 𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑟á𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑋 = 𝑥 + 𝑘 𝑌 = 𝑦 + 𝑘 𝑥 = −∆λ . 𝑐𝑜𝑠𝜑 . 𝑁 . 𝑎𝑟𝑐1". 𝑐 𝑦 = 1 𝐵[∆𝜑 + 𝐶. 𝑥 + 𝐷. (∆𝜑 ) + 𝐸. (∆𝜑 )𝑥 + 𝐸. 𝐶. 𝑥 ]. 𝑐 ∆𝑥 = 𝑥 − 𝑥 = 𝑥 ∆𝑦 = 𝑦 − 𝑦 = 𝑦 ∆λ = λ − λ ∆𝜑 = 𝜑 − 𝜑 ∆λ = ∆λ". 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒çã𝑜 𝑎𝑟𝑐𝑜 𝑠𝑒𝑛𝑜 = ∆λ". 1 −(sin 1") 6 . ∆λ " ² ∆𝜑 = ∆𝜑". 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒çã𝑜 𝑎𝑟𝑐𝑜 𝑠𝑒𝑛𝑜 = ∆𝜑". 1 −(sin 1") 6 . ∆𝜑 " ² ∆𝜑 " = ∆𝜑". 1 −(sin 1") 6 . ∆𝜑 " ² = ∆𝜑". 1 − 3,9173. 10 . ∆𝜑" ²
𝐴 = 𝑡𝑎𝑛 ∆𝑥 ∆𝑦 𝐵 = 1 (𝑀 . 𝑎𝑟𝑐1") 𝐶 = 𝑡𝑎𝑛𝜑 2. 𝑀 . 𝑁 . 𝑎𝑟𝑐1" 𝐷 =3. 𝑒 . sin 𝜑 . cos 𝜑 . 𝑎𝑟𝑐1" 2. (1 − 𝑒 . 𝑠𝑖𝑛 𝜑 )³ 𝐸 =1 + 3𝑡𝑎𝑛 𝜑 6. 𝑁 ² 𝐹 =sin 𝜑 . cos 𝜑 . 𝑠𝑖𝑛 1" 12 𝑐 = 𝑀 . 𝑁 + ℎ 𝑀 . 𝑁 𝜑 =𝜑 + 𝜑 2 𝑀 = 𝑎(1 − 𝑒 ) (1 − 𝑒 . 𝑠𝑖𝑛 𝜑 )³ 𝑁 = 𝑎 1 − 𝑒 . 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑁 = 𝑎 1 − 𝑒 . 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑒 = 𝑎 − 𝑏 𝑎 = 𝑓. (2 − 𝑓) 𝑓 =𝑎 − 𝑏 𝑎 = 1 − 𝑏 𝑎 Onde:
𝑁 = raio da curvatura da seção normal ao plano meridiano do elipsóide em O (origem);
𝑁 = raio da curvatura da seção normal ao plano meridiano do elipsóide em P; 𝑀 = raio da curvatura da seção meridiana do elipsóide em O (origem);
𝑎= semi-eixo maior do elipsóide de referência; 𝑏= semi-eixo menor do elipsóide de referência;
𝑒= primeira excentricidade do elipsóide de referência 𝑓= achatamento do elipsóide de referência;
𝐴= azimute topográfico e geodésico da direção OP; 𝛾= convergência meridiana em P;
𝑐= fator de elevação; h= altitude geométrica.
Para efeito de validação dos dados convertidos pelo SiGE, as conversões das coordenadas geodésicas para coordenadas UTM foram verificadas por meio da calculadora geográfica online disponibilizada pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais). Da mesma forma, para validar a conversão das coordenadas geodésicas para coordenadas topográficas locais obtidas pelo receptor/antena GNSS, realizou-se um levantamento topográfico na área de estudo com a utilização de uma Estação Total da fabricante Leica, modelo TC305. Os dados referentes às coordenadas obtidas pelo levantamento topográfico e a análise da precisão destes dados, estão descritos no Apêndice A.
3.3.1 Composição e utilização do SiGE
Ao abrir o software, é necessário o cadastramento dos responsáveis que utilizarão o SiGE. A figura 12 corresponde à tela inicial, onde estão disponíveis o ícone “Usuários” para cadastro de novos usuários, o Ícone “Monitoramento” onde os cadastrados terão acesso ao banco de dados e poderão iniciar um novo monitoramento e o ícone “Logoff” onde os operadores poderão sair ou trocar de usuários. Por fim, a janela para identificação do usuário e a digitação da senha.
Figura 12 - Tela inicial do SiGE
Antes de iniciar a coleta dos dados GNSS, o SiGE necessita que as informações inicias da estrutura a ser monitorada sejam cadastradas. Ao clicar em “Pontos Monitorados” mostra-se a janela principal. Ao clicar em “adicionar”, uma nova janela se abre com campos a serem preenchidos. A figura 13 demostra a página referente ao cadastro, com os quadros a serem preenchidos e o que cada uma destas informações corresponde.
Para facilitar a explanação, a figura 13 foi dividida em 6 (seis) campos. No campo 1, constam as informações correspondentes a estrutura a ser monitorada e o equipamento utilizado. O campo 2 e 3, diz respeito as coordenadas de referência do ponto fixado na estrutura e os limites aceitáveis. Os campos 4, 5 e 6 se referem às configurações geográficas do ponto monitorado, configurações do sistema e cadastramento de e-mails da equipe técnica, respectivamente.
Os campos mais importantes ao monitoramento são os campos 2 e 3. No campo 2, insere-se as coordenadas de referência pós-processada do ponto observado na projeção UTM, padronizando assim os deslocamentos obtidos na unidade em metros. Juntamente com as coordenadas de referência, insere-se a altura da antena e a variação máxima aceitável, sendo esta recomendada pelo engenheiro calculista da estrutura a ser monitorada. A partir desta variação máxima aceitável, discutida no item 4.1, será analisado o comportamento da estrutura. No ícone “visualizar”, após preenchido do campo “coordenadas referência”, o Google Maps busca a localização do ponto onde está sendo realizado o monitoramento (apresentado na plataforma do Google Maps), facilitando assim, a localização da estrutura monitorada. No ícone “RBMC” e “CEGAT”, ao clicar, abre-se as páginas com a localização de todas as respectivas estações de referência distribuídas em todo Brasil, facilitando assim a identificação de estações próximas ao ponto monitorado. O ícone recalcular traz a opção de alterar a variação máxima aceitável.
O campo 3 traz a opção de se trabalhar com as coordenadas topográficas locais, simultaneamente com as coordenadas UTM, exigindo apenas que se insira as coordenadas geodésicas da origem do sistema (𝜑0,𝜆0) correspondente aos termos constantes 150000,000 m e 250000,000 m, respectivamente, para a abscissa (X) e para a ordenada (Y), conforme descrito pela NBR 14166 (ABNT,1998).
Com a instalação e configuração do receptor/antena ao SiGE inicia-se a coleta de dados GNSS. Neste caso, os dados do receptor/antena são encaminhados via cabo serial. Conforme as observações são encaminhadas ao computador e a partir das coordenadas de referência pós-processada credenciada no SiGE, a variação (∆) passa a ser identificada a partir da coordenada recebida (N’, E’, h’) pelo
receptor/antena, menos as coordenadas de referência (N”, E”, h”), conforme equação 3:
Equação 3 - Cálculo da variação das componentes N, E, h
∆𝑁 = 𝑁 − 𝑁”;
∆𝐸 = 𝐸 − 𝐸";
∆ℎ = ℎ − ℎ".
Na figura 14, é possível identificar como as leituras do receptor/antena são armazenadas ao SiGE, pelas colunas: “data e hora”, “Coordenada N, E, h” com suas respectivas “Variações” e números de satélites. A coloração da linha altera para vermelho quando esta ultrapassa o valor inserido como variação máxima aceitável (inserida no cadastro), chamando assim a atenção do gestor ou equipe técnica. Para efeitos de localização dos dados monitorados, ao colocar um intervalo de coleta de dados e clicar no ícone “Pesquisar” (seta 1), o SiGE organiza os dados conforme solicitado. Os dados, além de armazenados no banco de dados do sistema, também são emitidos em relatórios (arquivo em formato Excel), contendo todas as informações iniciais do monitoramento, suas coordenadas em projeção UTM ou Topográfica Local (seta 3) e suas respectivas variações (figura 15). Para efeitos de visualização, o SiGE também tem a opção de mostrar suas variações de forma gráfica (figura 16), clicando no ícone “Gráfico” (seta 2). Importante ressaltar que o SiGE também tem a opção de trabalho com mais pontos de controle (mais receptores/antenas), basta que as informações iniciais sejam inseridas ao sistema. Há também a possibilidade em se trabalhar de modo off, ou seja, os dados de levantamentos registrados somente pela coletora podem ser inseridos através da opção em “Importar coordenadas” (seta 4) por arquivos em formatos texto (txt).
Figura 14 - Organização dos dados e suas variações
Figura 15 - Relatório em Excel emitido pelo SiGE. (a) Coordenadas UTM; (b) Coordenadas Topográfica Local
(a) Monitoramento
Coordenadas referência: 7475338,756 288288,902 622,202
Data Hora Leitura N(m) Variacao N(m) Leitura E(m) Variacao E(m) Leitura h(m) Variacao h(m) 12/09/18 00:00:00 7475338,777 0,021 288288,899 -0,003 622,172 -0,030 12/09/18 00:00:05 7475338,779 0,023 288288,899 -0,003 622,177 -0,025 12/09/18 00:00:10 7475338,778 0,022 288288,898 -0,004 622,179 -0,023 12/09/18 00:00:15 7475338,779 0,023 288288,898 -0,004 622,177 -0,025 12/09/18 00:00:20 7475338,780 0,024 288288,897 -0,005 622,173 -0,029 12/09/18 00:00:25 7475338,781 0,025 288288,899 -0,003 622,175 -0,027 12/09/18 00:00:30 7475338,779 0,023 288288,898 -0,004 622,172 -0,030 12/09/18 00:00:35 7475338,778 0,022 288288,899 -0,003 622,174 -0,028 12/09/18 00:00:40 7475338,779 0,023 288288,898 -0,004 622,173 -0,029 12/09/18 00:00:45 7475338,779 0,023 288288,899 -0,003 622,178 -0,024 12/09/18 00:00:50 7475338,780 0,024 288288,898 -0,004 622,179 -0,023 12/09/18 00:00:55 7475338,778 0,022 288288,897 -0,005 622,171 -0,031
FEC CAIXA D'AGUA - PARTE 2
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