Monitorização do comportamento estrutural de uma ponte nova em arcos de alvenaria de pedra

1 MONITORIZAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE UMA PONTE NOVA EM ARCOS DE ALVENARIA DE PEDRA Arêde, A. 1 ; Costa, A. 2 ; Costa, C., 3 ; Barbosa, C. 4 ; Costa, P. 5 1 Prof. Auxiliar, 2 Prof. Associado com Agregação Departamento de Engenharia Civil Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 3 Assistente, Departamento de Engenharia Civil Escola Superior de Tecnologia, Instituto Politécnico de Tomar 4 Engª Civil, FiberSensing – Sistemas Avançados de Monitorização, S.A 5 Engº Civil, Aluno de Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil RESUMO Apresenta-se o caso de uma nova ponte em alvenaria de pedra, construída de raiz, que está a ser instrumentada para monitorização do seu comportamento estrutural sob a acção de cargas de serviço. Abordam-se os objectivos da monitorização da ponte e descreve-se a instrumentação efectivamente adoptada nesta obra nova de características singulares. Refere-se os aspectos básicos do sistema de aquisição de dados. Não são apresentados resultados de registos, por não estar ainda concluída a instalação de todos os sensores. 1- INTRODUÇÃO Tal como em muitos outros países europeus, existe em Portugal um grande número de pontes em arco de alvenaria de pedra, a maioria delas sujeitas a elevadas cargas de tráfego para as quais não foram projectadas. Algumas dessas construções exibem sinais claros de degradação e falta de manutenção que, por vezes, suscitam sérias dúvidas sobre o nível de segurança que podem garantir sob condições de serviço. Neste contexto a possibilidade de monitorizar e analisar o comportamento estrutural real de uma ponte em arco de alvenaria de pedra, constitui uma importante mais-valia para o conhecimento sobre este tipo de estruturas. O trabalho que se apresenta enquadra-se numa iniciativa da Câmara Municipal de Felgueiras de construir uma ponte de alvenaria de pedra sobre o Rio Vizela, em Vila Fria, em substituição de uma antiga passagem (figura 1) com graves condições de segurança estrutural. A FEUP e o Instituto da Construção (IC) apoiaram esta iniciativa aproveitando- a para fins científicos por se enquadrar numa linha de investigação sobre estruturas antigas iniciada há vários anos no Departamento de Engenharia Civil. 2 Fig 1- Vista geral da antiga passagem existente O trabalho relativo ao projecto, construção e estudo do comportamento da ponte assume carácter pluridisciplinar, abarcando diversas componentes, tais como: modelação e análise estrutural; experimentação local e em laboratório para calibração de modelos numéricos; instrumentação e medição de parâmetros estruturais e dos materiais; aquisição remota de dados e monitorização de comportamento à distância. Não estando ainda finalizada a instalação de todos os sensores, pretendese com o presente artigo apenas descrever a instrumentação usada para registar a resposta estrutural da ponte, com referência ao sistema de aquisição de dados adoptado. Pelas dificuldades e particularidades da obra, as fases essenciais da instalação dos sensores são também abordadas sumariamente. Por motivos alheios e contrários à vontade dos autores (dos quais os três primeiros são também responsáveis pelo projecto) a obra entrou já em serviço sem que tivesse sido ainda realizado o ensaio de carga, razão pela qual não existem ainda registos integrados do conjunto de todos os sensores. Não obstante, o referido ensaio de carga está previsto para ser realizado até ao fim de 2005, quando toda a instrumentação estiver colocada, verificada e calibrada (em particular face à temperatura) nas reais condições de obra. 2- A NOVA PONTE DE VILA FRIA Em face de requisitos arquitectónicos específicos, foi proposto o projecto que se ilustra na figura 2 [Costa, Arede e Costa (2002)], onde se pode observar que se trata de uma ponte materializada por cinco arcos, com vãos de 4.8 a 6.0 m, apoiados em quatro pilares e dois encontros, dando apoio a um tabuleiro com um vão total de 60 m e 6 m de largura. Fig 2- Perspectiva do projecto da nova ponte A estrutura foi fundada em grupos de micro-estacas encabeçadas por maciços de betão armado em que assentam os pilares. Tal como os arcos e os murostímpano, os pilares foram realizados em alvenaria de pedra aparelhada de granito, assente com uma fina camada de argamassa de cal especificamente estudada e produzida para o efeito [Secil (2002)]. Sobre o extradorso dos arcos e entre muros-tímpano, foi colocado enchimento de tout-venant que, na zona mais superficial, incluiu também uma pequena percentagem de cimento Portland. Após o enchimento foi realizada uma camada de regularização destinada a receber o revestimento de telas asfálticas de impermeabilização, sobre o qual foi colocada uma camada de traço-seco (areia e cimento em reduzida percentagem, sem adição de água) destinada ao assentamento do pavimento final em lajeado de granito. A construção da ponte começou no início de 2002 e terminou em Abril de 2005, com o aspecto ilustrado na figura 3. Fig 3- Aspecto final geral da nova ponte (montante) 3 3 – OBJECTIVOS DA MONITORIZAÇÃO A monitorização desta obra surge na sequência de um anterior trabalho de modelação e análise estrutural de um caso similar [Costa (2002)], durante o qual foram sentidas grandes dificuldades na calibração de parâmetros materiais e estruturais, assim como na confirmação dos resultados númericos obtidos; nesse trabalho foram ainda identificados alguns aspectos carecendo de melhor estudo, nomeadamente a influência da rigidez do enchimento e dos muros-tímpano nos esforços dos arcos. A possibilidade de acompanhar e monitorizar uma obra deste tipo desde a sua construção, constituiu assim uma excelente oportunidade para estabelecer e calibrar técnicas de modelação analítica adequadas para a simulação numérica de outras construções semelhantes existentes. A monitorização em contínuo da ponte por um largo período de tempo materializa um laboratório vivo que permite avaliar e sistematizar os principais aspectos do comportamento estrutural deste tipo de pontes e sua relação com as patologias estruturais frequentemente observadas. Neste contexto procurou-se dotar a nova ponte de uma instrumentação capaz de fornecer medições relativas a: i. deslocamentos globais da estrutura, em especial no coroamento dos arcos; ii. deslocamentos relativos das juntas entre blocos de pedra, nomeadamente abertura/fecho e escorregamento; iii. deslocamentos relativos entre murostímpano opostos; iv. deformações e tensões em alguns blocos dos arcos; v. pressões verticais no material de enchimento; vi. temperatura. Através de registos resultantes da referida instrumentação, pretende-se aferir a deformada da estrutura (global e local, nas juntas) obtida de simulações numéricas por comparação com a observada sob a acção de cargas reais controladas. As medidas de deformações e tensões elásticas que lhe estão associadas nos blocos de pedra, bem como as pressões no enchimento, deverão permitir esclarecer o encaminhamento e distribuição de tensões entre arcos, enchimento e pilares, e aferir os correspondentes resultados numéricos. Por fim, a medição de temperatura em diversos locais da ponte, em particular próximo de alguns sensores, destina-se essencialmente a permitir fazer correcções aos registos por forma a entrar em linha de conta com os efeitos da temperatura. 4– INSTRUMENTAÇÃO A instrumentação adoptada para a monitorização consiste num vasto número de sensores do tipo a seguir descritos, conforme o género e medida em causa. 4.1 - Deslocamentos globais A dimensão da obra e a inexistência de pontos ou estruturas físicas de referência permanentes, limitou a escolha de sensores apropriados para medir deslocamentos globais ao longo da ponte. Porém, durante certas fases da obra, como por exemplo as operações de descimbre dos arcos, foi possível instalar transdutores de deslocamento clássicos (LVDT’s) e comparadores digitais, sobre um pórtico de referência exterior à ponte, e assim acompanhar os seus movimentos principais (figuras 4a e 4b). No entanto, em permanência torna-se impossível dispôr dessa estrutura de referência, pelo que se optou por instalar uma rede de sensores de pressão piezoresistivos de grande sensibilidade que medem a variação de pressão de um fluído existente num tubo com uma das extremidades ligada à pressão atmosférica e outra ligada a uma porta do sensor (figura 5). A variação de posição altimétrica da extremidade livre ou do sensor, ambas ligadas rigidamente aos pontos cuja variação de nível se pretende medir, origina uma alteração de pressão 4 que é captada pelo sensor e transformada num sinal eléctrico proporcional à variação de nível ocorrida. Pelo facto de serem usados para medir variações de nível, são designados por sensores de nível. Fig 4a- Descimbre de um arco. Pórtico de referência para comparadores e LVDT’s. Fig 4b- Descimbre de um arco. Comparador digital e LVDT no coroamento do arco. Fig 5- Sensor de pressão, respectivo tubo e reservatório para medição de desníveis. Foram então adoptados sensores da gama 160PC da marca Honeywell [Honeywell], adequados para um intervalo de pressões entre 0 m.c.a. e 0.254 m.c.a.. Com o sistema de leitura a utilizar, equipado com placas de 12 bits, este intervalo proporciona uma resolução inferior a 0.1mm, que é suficiente para os deslocamentos previstos. Os sensores baseiam-se no funcionamento de uma ponte de Wheatstone e fornecem um sinal eléctrico amplificado entre 1.5V e 9V, aproximadamente, para uma tensão de alimentação de 12V. Não tendo sido possível dispôr de um ponto fixo na margem que servisse de referência para deslocamentos verticais, e dado que, os esforços mais significativos na estrutura deverão ocorrer por movimentos diferenciais entre o vão dos arcos e os seus pilares de apoio, optou-se então por colocar uma série de sensores que permitissem obter aqueles deslocamentos verticais relativos ao longo da ponte. Para tal, foram adoptados quinze sensores que serão colocados no interior da ponte e sobre os pilares (figuras 6a e 6b), mais propriamente sobre colunas rígidas circulares de betão encastradas na face superior dos pilares junto à nascença dos arcos e no lado interior jusante dos murostímpano. Fig 6a- Posicionamento dos sensores de pressão (corte longitudinal parcial de meia-ponte). Fig 6b- Posicionamento dos sensores de pressão (planta parcial de meia-ponte). Pretendeu-se assim criar plataformas para a colocação dos sensores a cotas compatíveis com o seu intervalo de medição e as cotas do coroamento dos arcos. Essas colunas estão no entanto 5 isoladas do enchimento da ponte através de tubos de maior diâmetro (figuras 7a e 7b) a fim de evitar movimentos daquelas devido às cargas actuantes na estrutura. Fig 7a- Colunas de apoio aos sensores de pressão (vista superior). Fig 7b- Colunas de apoio aos sensores de pressão (vista geral na fase de construção). As extremidades livres do tubos de fluído associados a cada sensor encontramse no meio-vão dos arcos (figuras 6b), quer junto aos tímpanos da face jusante, quer ao longo do eixo longitudinal da ponte, a fim de se avaliar a diferença de deformações dos arcos na direcção transversal que resulta da influência da rigidez dos murostímpano. Quanto ao fluído utilizado optou-se por óleo de silicone Baysilone M100 [GE Bayer Silicones (2002)], for forma a evitar problemas de congelação e de evaporação (muito prováveis no caso de utilização de água) que comprometeriam a validade dos registos ao longo do tempo. Além disso, a fim de minimizar os efeitos de variação de volume do fluído, e consequentemente do nível registado pelo sensor em resultado de variação de temperatura, as extremidades livres dos tubos estão dotadas de um reservatório de expansão realizado em material acrílico (figura 5). Pela mesma razão houve particular cuidado na escolha do tipo de tubo por forma a minimizar os efeitos de dilatação/contracção térmica devida a variações de temperatura ambiente. Não obstante este cuidado, torna-se imperativo proceder à correcção dos registos dos sensores para atender aos efeitos de temperatura. Apesar de se ter procurado fazer uma calibração prévia dos sensores para diferentes níveis de temperatura, em estufa e em câmara frigorífica, concluiu-se ser muito difícil reproduzir as condições da obra. Optou-se então por fazer a referida correcção directamente na ponte já em serviço, com recurso a um sensor de referência. Este sensor é idêntico aos restantes e com comprimento de tubo da mesma ordem de grandeza, mas o respectivo reservatório de fluído fica colocado junto ao sensor e solidário com ele. Assim, não havendo variações relativas de nível entre o sensor e a superfície livre do fluído resultantes de deslocamentos diferenciais, as variações que ocorram serão apenas devidas à temperatura. Procedendo ao registo desta em simultâneo com o registo do sinal do sensor de nível de referência, obtém-se a curva de correcção pretendida. Subjacente a este procedimento está a hipótese de idêntico funcionamento dos diversos sensores que se verifica ser aceitável em face das calibrações e verificações em laboratório. Estas foram realizadas ligando todos os sensores a um mesmo reservatório cujo desnível foi sendo alterado progressivamente e registando o sinal de cada sensor com o seu off-set devidamente anulado. A comparação dos resultados de cada sensor evidencia sinais estáveis e iguais para todos os sensores. Importa referir que os sensores de nível possuem auto-compensação de temperatura mas exclusivamente no que se refere ao próprio sensor. A correcção acima descrita refere-se no entanto a todo o sistema que engloba o sensor, o fluído, o tubo, o reservatório e todos os acessórios de ligação. Assim, foram também 6 instalados sensores de temperatura junto ao tubo do fluído na vizinhança do reservatório, cujos registos são essenciais para que aquela correcção possa ser efectuada. Salienta-se ainda que, a fim de minimizar as variações de temperatura, o tubo foi dotado de vários níveis de protecção, mecânica e térmica, materializadas por tubos exteriores de ferro fundido, de poliuretano expandido e de PVC. Todo o conjunto fica envolvido por tout-venant, sob o revestimento e o pavimento da ponte, o que contribui para atenuar as variações térmicas. Todos os sensores foram calibrados através de uma montagem em laboratório que permitiu aplicar deslocamentos verticais controlados na extremidade livre do tubo com fluído, mantendo fixa a posição do sensor. Procurou-se adoptar a mesma fonte de alimentação (12V) e um tubo com comprimento próximo do que em média se instalou na ponte, tendo-se obtido rectas de calibração próximas de d(mm)=35*V(Volt). Complementarmente à rede de sensores de nível, procurar-se-á captar o campo de deslocamentos das faces jusante e montante através do tratamento de fotografias digitais de elevada resolução, tiradas a partir de pontos fixos externos à ponte sobre maciços especialmente construídos para o efeito. Para o tratamento fotográfico serão adoptadas técnicas de correlação de imagens digitais [Chousal (2001)] entre estados deformacionais distintos, técnicas estas já aplicadas com sucesso em laboratório num ensaio de um arco de alvenaria de pedra. 4.2-Deslocamentos relativos das juntas A fim de captar movimentos de abertura/fecho e escorregamento entre blocos de pedra em fase de serviço, uma das juntas adjacentes às pedras de fecho de cada arco foram instrumentadas com transdutores de deslocamento numa configuração em Z. Adicionalmente, foram também instrumentadas juntas aos quartos de vão, mas apenas no arco central e nos dois arcos de um dos lados da ponte. Na figura 8a ilustra-se a configuração de transdutores em Z numa junta enquanto que a figura 8b evidencia o posicionamento geral dos transdutores num dos arcos. Fig 8a- Instrumentação de juntas. Configuração em Z dos transdutores de deslocamento. Fig 8b- Instrumentação de juntas. Posicões dos transdutores de deslocamento num arco. Na fase construtiva, nomeadamente para monitorização das operações de descimbre, foram usados transdutores lineares de deslocamento clássicos do tipo LVDT’s de pequeno curso (+/-10mm e +/- 12.5mm), tal como os ilustrados na figura 8a No entanto, para a fase definitiva de monitorização, e em alternativa aos LVDT’s, foi adoptado outro tipo de transdutor baseado em redes de Bragg em fibra óptica, que se apresenta na figura 9, já devidamente posicionado numa das cavidades abertas na face jusante da ponte para albergar esses sensores. Este tipo de transdutor, projectado, produzido e comercializado pela FiberSensing [L. A. Ferreira (2004)], foi especificamente concebido para esta aplicação, justificando-se a opção essencialmente pela conhecida capacidade de 7 multiplexagem e pela imunidade ao ruído associadas às medições com base na tecnologia de sensores de fibra óptica. Fig 9- Instrumentação de juntas. Transdutor de deslocamento de fibra óptica. No total foram instalados 44 transdutores de deslocamentos deste tipo, distribuídos por juntas da face jusante e no intradorso de alguns arcos. Estes últimos destinam-se a medir eventuais movimentos de expansão transversal dos arcos e de abertura de juntas na direcção longitudinal nas proximidades do eixo da ponte onde a estrutura se apresenta mais flexível na direcção vertical. A figura 10 ilustra esquematicamente a posição de alguns desses sensores colocados no intradorso de um dos arcos. Fig 10- Posicionamento de transdutores de deslocamento de fibra óptica em juntas do intradorso de um dos arcos. 4.3-Deslocamentos relativos entre muros-tímpano opostos Com vista à monitorização dos efeitos da pressão lateral do enchimento sobre os muros-tímpano, foram também instalados sensores de deslocamento transversal entre zonas opostas daqueles muros: um sensor sobre um dos encontros e outros três sensores sobre pilares. Na figura 10 está também indicada a posição esquemática de um destes sensores sobre os pilares P4 e P5. Tal como os transdutores de deslocamento adoptados, também estes sensores, aqui designados de transdutores longos, foram feitos com base em sensores de Bragg em fibra óptica pela FiberSensing [L. A. Ferreira (2004)]. Basicamente, o deslocamento é obtido através da medição da deformação num fio de invar amarrado a cada um dos murostímpano com uma dada tensão inicial. Na figura 11 ilustra-se uma das zonas de fixação de um destes sensores junto ao muro-tímpano, onde se pode observar o elemento de fixação à pedra, o orgão de tensionamento, o fio de invar e a extremidade do tubo de aço-inox estanque de protecção de todo o conjunto. Externamente fica tudo envolvido por outro tubo de ferro fundido com diâmetro bastante superior ao primeiro para o proteger de assentamentos do enchimento. Fig 11- Sensores longos transversais. Zona de amarração no muro-tímpano. Estes sensores longos medem a extensão linear do fio de invar a que estão colados, que, multiplicada pelo seu comprimento, dá o afastamento relativo dos muros-tímpano. 4.4-Deformações em blocos dos arcos As extensões lineares em alguns blocos dos arcos são obtidas através de extensómetros colados em faces dos blocos no intradorso e no extradorso de dois arcos. 8 Conhecendo previamente o módulo de deformabilidade e o coeficiente de Poisson da pedra usada, e dado que neste tipo de construções as tensões são muito baixas e em regime linear elástico do material, é possível obter as tensões instaladas a partir das extensões registadas. A medição de deformações no extradorso e no intradorso dos arcos destina-se assim a avaliar a distribuição de extensões e tensões na espessura do mesmo. Foram então colocados pares de extensómetros nas direcções longitudinal e transversal da ponte, em blocos de pedra de dois meios-arcos (A3 e A4) adjacentes ao pilar P4 (ver figura 12a), em dois alinhamentos longitudinais (um central segundo o eixo da ponte – figura 12b - e outro junto à face jusante – figura 12c) e segundo três secções transversais dos arcos (uma central passando pelo coroamento, outra num meridiano a cerca de 45º e outra ainda junto à nascença dos arcos A3 e A4) Fig 12a- Posicionamento de extensómetros. Planta parcial. Fig 12b- Posicionamento de extensómetros. Alinhamento central. Fig 12c- Posicionamento de extensómetros. Alinhamento lateral jusante. Foram adoptados extensómetros de resistência eléctrica da marca MM- Measurement Group, Inc., referência N2A- 06-20CBW, com resistência de 350Ω. Cada extensómetro ficou ligado numa montagem em ¼ de ponte e três fios condutores segundo o Método Siemens. A sua aplicação é semelhante à aplicação noutros materiais, tais como o betão, sendo no entanto necessária uma regularização prévia com resina para minimizar os efeitos da heterogeneidade do material de base que neste caso é o granito (ver figura 13a). No intradorso foram abertas cavidades superficiais como a evidenciada na figura 13a a fim de albergar os extensómetros e as respectivas protecções mecânicas, eléctricas e à humidade, sobre as quais foi colocada uma camada final de argamassa à face da pedra. No extradorso, os extensómetros e as protecções foram colocadas na face da pedra, figura 13b, recebendo depois uma camada de argamassa antes da colocação das outras pedras ou do tout-venant. Fig 13a- Colocação de extensómetros. Regularização de base e extensómetro colado em cavidade previamente aberta. Fig 13b- Colocação de extensómetros. Protecção final. 9 Na figura 13c apresenta-se uma vista geral de quatro zonas do extradorso já instrumentadas com extensómetros e em fase de recobrimento com blocos de pedra. Fig 13c- Colocação de extensómetros. Vista geral em fase de recobrimento com pedra do tímpano. Além dos extensómetros de base eléctrica, surgiu também no decorrer da instrumentação a possibilidade de instalar alguns extensómentros de base óptica, aproveitando a rede de fibras ópticas já instalada para os outros sensores. Estes sensores foram também produzidos e instalados pela FiberSensing, e baseiam-se essencialmente num sensor de Bragg em fibra óptica embutido numa matriz de material compósito. Na figura 14 apresenta-se dois desses extensómetros em fase de instalação. Fig 14- Extensómetros de base óptica. Instalação. 4.5-Pressões no material de enchimento e tensões nos arcos A monitorização das pressões verticais no material de enchimento é conseguida com células de pressão total por vezes usadas em obras geotécnicas. Foi escolhida a zona de enchimento sobre o pilar P4, onde foram colocadas duas células de pressão, uma directamente sobre a face superior do pilar junto à nascença dos arcos e outra mais próximo da superfície. Na figura 15 ilustra-se o posicionamento das referidas células, designadas por C1 e C2. Na mesma figura é possível observar ainda a posição de outras cinco células (C3 a C7) do mesmo tipo embora com geometria diferente e que foram instaladas em rasgos abertos em pedras dos arcos a fim de avaliar as tensões neles introduzidas. Fig 15- Posicionamento de células de pressão. As células são da marca Geokon, modelos 3500 e 3510 [Geokon (2002)]. A principal diferença entre os dois modelos escolhidos diz respeito ao material de contacto que a célula está preparada para ter. Porém, o princípio de funcionamento destes equipamentos é o mesmo. As células são constituídas por duas placas de aço inox ligadas entre si pelo seu perímetro através de soldadura. O interior é preenchido por uma fina camada de óleo cuja pressão varia consoante o aperto nas paredes da célula provocado pelas pressões externas. Se as placas forem suficientemente flexíveis, ou seja, se tiverem uma relação espessura/largura pequena, o efeito da soldadura na periferia passa a ser desprezável e, no centro da célula, a pressão do fluído interno traduz com suficiente aproximação a pressão do meio envolvente. A pressão do óleo é então transformada num sinal eléctrico através de um transdutor de pressão acopolado, que funciona em ponte completa de Wheatstone com sinal eléctrico de 100mV em fim de escala, para uma tensão de alimentação de 10V.