Expandindo usos BIM para caracterização do estado de fadiga em pontes metálicas ferroviárias

1735º CONGRESSO PORTUGUÊS DE BUILDING INFORMATION MODELLING Resumo Nos últimos anos, a necessidade de envolver a tecnologia digital nos processos de Gestão e Manutenção de Infraestruturas de Transporte (GMIT) tem sido crescente, tendo em conta que hoje em dia, o desenvolvimento de qualquer sector está intrin‑ secamente ligado ao atual ambiente tecnológico digital. Como forma de responder a esta necessidade, há uma tendência para expandir o âmbito de aplicação do Building Information Modelling (BIM), tradicionalmente usado para projetos de edifícios, redi‑ recionando os respetivos Usos BIM para áreas como Gestão e Manutenção de Pontes. Uma das subcategorias que fazem parte do leque dos Usos BIM é a monitorização do ativo na sua fase operacional. Este trabalho usa essa base para desenvolver um mo‑ delo experimental que combina um Sistema de Análise de Fadiga (SAF) e um modelo BIM da ponte. Essas duas partes são ligadas a uma base de dados que possibilita a atualização contínua do modelo global, formando um Gémeo Digital (GD), capaz de caracterizar em qualquer instante a evolução de dano de fadiga em qualquer detalhe de ligação da ponte. O SAF é baseado num modelo de elementos finitos que é as‑ sociado ao Método de Danos Lineares Acumulados (MDLA) para a determinação do dano por fadiga, ambos implementados em softwares comerciais, enquanto o modelo BIM é desenvolvido a partir de softwares e programas de código aberto, que permi‑ tem maior flexibilização quanto à manipulação de objetos BIM, quase necessário Expandindo usos BIM para caracterização do estado de fadiga em pontes metálicas ferroviárias Idilson Nhamage1, Cláudio Horas2, Ngoc-Son Dang3, José Campos e Matos4, João Poças Martins5, Rui Calçada6 1 CONSTRUCT – FEUP, Porto, Portugal, ORCID: 0000-0001-9854-7677 2 CONSTRUCT – FEUP, Porto, Portugal, ORCID: 0000-0002-9868-3270 3 ISISE-EEUM, Guimarães, Portugal, ORCID: 0000-0002-3341-3034 4 ISISE-EEUM, Guimarães, Portugal, ORCID: 0000-0002-1536-2149 5 CONSTRUCT – FEUP, BUILT CoLAB, Porto, Portugal, ORCID: 0000-0001-9878-3792 6 CONSTRUCT-FEUP, Porto, Portugal, ORCID: 0000-0002-2375-7685 https://doi.org/10.21814/uminho.ed.142.14 5º CONGRESSO PORTUGUÊS DE BUILDING INFORMATION MODELLING 174 EXPANDINDO USOS BIM PARA CARACTERIZAÇÃO DO ESTADO DE FADIGA... para infraestruturas como pontes, incluindo a utilização do padrão IFC mais evoluído (IFC4x3). A partir da base de dados, que contém parâmetros como condições de car‑ ga (tráfego ferroviário) e de geometria da ponte, o modelo global é continuamente atualizado para reavaliação da evolução do dano por fadiga, e mostra‑se promissor para a gestão do ciclo de vida da ponte. 1755º CONGRESSO PORTUGUÊS DE BUILDING INFORMATION MODELLING 1. Introdução Atualmente, são notáveis os esforços no seio da buildingSMART na ampliação do BIM para infraestruturas lineares como pontes, vias‑férreas e estradas. Isso envolve o alargamento de repositórios de dados partilhados, padronizados e orientados a objetos que inclua esse tipo de infraestruturas. No entanto, o uso do BIM em fase de operação, manutenção e gestão desses ativos ainda apresenta desafios enormes. Isso ocorre principalmente devido à falta de flexibilidade no modelo atual em lidar com informações sobre anomalias e comportamento estrutural ao longo do tempo [1]. Os sistemas e processos atuais que caracterizam os modelos BIM ainda carecem, por exemplo, de elementos geométricos interoperáveis relacionados com diferentes defeitos em infraestruturas, fundamentais nos processos de gestão e operação.Uma das anomalias predominantes em pontes metálicas ferroviárias é a fadiga, relacio‑ nada com a passagem de comboios. Este fenómeno consiste num processo de ini‑ ciação e de propagação de fendas num elemento estrutural causado por flutuações de tensão[2]. A avaliação e acompanhamento desse processo complexo, pode incluir informação sobre inspeção prévia ou resultados de análises preliminares sobre o es‑ tado de um elemento estrutural, resultados de análises que caracterizem o estado da fadiga do elemento estrutural ao longo do tempo, entre outras informações. É sabi‑ do que a identificação de dano em infraestruturas como pontes, incluindo danos por fadiga, constitui uma forma essencial de avaliar o estado da condição dessas infraes‑ truturas. Todavia, a informação sobre esses dados dificilmente pode ser expressa (vi‑ sualizada por exemplo) na infraestrutura em causa através dos métodos correntes de análise para identificação de danos [3]. Havendo necessidade em solucionar esta e outras questões, o BIM tem vindo a ser adotado em novos domínios. Atualmente, são visíveis os avanços e o seu crescente uso em outras infraestruturas incluindo pontes e vias férreas [4]. Essa aplicação vai além da simples modelação, estendendo-se à gestão dessas infraestruturas, atento às grandes potencialidades desta tecnologia [4, 5]. Essas potencialidades são fundamentalmente evidenciadas pela representação digital (ou visualização) e possibilidades de integrar informação [6, 7], vistos como benéficos para qualquer gestão de infraestruturas. Contudo, o processo de integração da informação ainda levanta grandes debates, do ponto de vista do tipo e alcance da informação a integrar. Por isso, conhecendo a existência dessas potencialidades, um desafio atual significativo é definir processos que permitam enriquecer os modelos BIM com informação sobre o estado de um determinado ativo, de forma automática e contínua, obtendo‑se neste caso um Gémeo Digital (GD). Esta é uma questão coloca‑ da por diversos pesquisadores (ver por exemplo [8]), sendo notáveis as tentativas de ligar modelos BIM com outras partes que o alimentam com informação, mas não há ainda uma forma ou procedimento concretos para o estabelecimento desta ligação [8]. Dentro desses desafios, este estudo apresenta uma forma de aplicar o BIM para dar suporte ao processo de avaliação da evolução de dano por fadiga em pontes metálicas ferroviárias, onde são destacados os processos de modelação conduzidos por dados e baseados em recursos abertos, integração automática da informação proveniente de análises numéricas e do ativo físico no modelo BIM, formando um GD. No âmbito do openBIM, são explorados recursos de código aberto (IfcOpenShell + 176 EXPANDINDO USOS BIM PARA CARACTERIZAÇÃO DO ESTADO DE FADIGA... Python + Blender) para modelação em BIM e com padrão IFC recente (IFC4x3_ADD1) em processo de padronização na ISO [9], que inclui já algumas entidades relaciona‑ das com pontes e vias férreas (figura 1a), como forma de ultrapassar as atuais limi‑ tações que ainda caracterizam a maioria das plataformas comercias BIM, que ainda não implementaram esta última versão do padrão IFC (figura 1b). O IfcOpenShell é uma biblioteca constantemente atualizada e que permite aceder e editar ficheiros em formato IFC de código aberto [10]. As análises numéricas de fadiga, cujos resulta‑ dos alimentam continuamente o modelo BIM, são realizadas em softwares potentes de análise numérica e programação, nomeadamente o ANSYS APDL® e o MATLAB®. 2. Abordagem metodológica 2.1. Sistema de Análise de Fadiga (SAF) e modelo BIM da ponte Atendendo ao principal objetivo desde estudo, cuja intenção é alimentar continua‑ mente um modelo BIM com resultados provenientes de análises numéricas da fadiga (e informação relevante que pode não ser proveniente do cálculo), um Sistema de Análise de Fadiga (SAF) e um modelo BIM para ponte são previamente criados de forma separada para sua posterior integração, em que: a) SAF – este consiste de duas partes. Na primeira parte desenvolve‑se um modelo numérico da ponte para determinação das suas propriedades dinâmicas ou estáticas com recurso ao software ANSYS APDL® e na segunda é calculado o dano por fadiga através do Método de Danos Lineares Acumulados (MDLA) [2] usando as programações no MATLAB® (figura 2). Os resultados de saída desta fase são, além do dano, a respetiva identificação e localização ao longo da ponte, bem como a vida de fadiga remanescente; Figura 1 (a) IfcRail a partir de IFC4x3 modelada parametricamente com recursos de código aberto (Ifcopenshell + Python + Blender); (b) Extrato de uma plataforma BIM, numa das versões recentes limitada a IFC 4.0. 1775º CONGRESSO PORTUGUÊS DE BUILDING INFORMATION MODELLING b) Geração do modelo BIM da ponte – Através de recursos de código aberto (IfcOpenShell + Python + Blender) e com padrão IFC4x3, a geração do modelo BIM da ponte incluindo os elementos da via‑férrea é feita utilizando um processo baseado em dados, para produção paramétrica de diferentes elementos (IfcBuildingElement) e posterior combinação para formação do modelo inteiro (figura 3). Figura 2 Visão geral do Sistema de Análise da Fadiga (SAF). Figura 3 Geração do modelo BIM para ponte e via férrea. 178 EXPANDINDO USOS BIM PARA CARACTERIZAÇÃO DO ESTADO DE FADIGA... Ainda com os mesmos recursos de código aberto, propõe-se modelar as representa‑ ções geométricas do dano, bem como a criação de uma plataforma de consulta de informação não geométrica sobre o dano (figura 4). Tanto as representações geomé‑ tricas de dano como a plataforma de consulta de informação ficam vazios até que a informação sobre o dano (ou outra informação) seja introduzida por meio do proces‑ so de integração (ver subsecção 2.2). 2.2. Processo de integração SAF – modelo BIM para a ponte Neste estudo, propõe-se criar um SAF separado do modelo BIM, tendo em conta a complexidade de cada uma das partes. No estado inicial as duas partes funcionam de forma independente, passando a haver dependência quando é estabelecida a ligação. Conforme mostrado na figura 5, a ligação tem duas vertentes, sendo: a) Vertente 1 – é um processo direto em que a informação dos resultados provenientes da análise de fadiga (valor de dano, sua identificação, localização e vida de fadiga remanescente) ou outra informação disponível é diretamente introduzida no modelo BIM de forma automática, atualizando o modelo em termos geometria e representação do dano. A representação geométrica do dano é realizada através de sistema de cores RGB (Red-GreenBlue), cuja coloração vai alterando em função da magnitude do dano, ao passo que a representação não geométrica é realizada através de valores numéricos alocados nos parâmetros de interesse e que caracterizam o dano. Plataformas comerciais como REVIT® e RHINO® possuem ferramentas específicas, designadas por Interface de Programação de Aplicações (APIs), que permitem a ligação com dados de ambiente externo. Neste estudo, o modelo BIM é gerado por meio de softwares e programação de código aberto, sendo a inserção da informação realizada através da programação em Python; Figura 4 Plataforma de consulta de informação não geométrica sobre o dano num determinado detalhe de ligação. 1795º CONGRESSO PORTUGUÊS DE BUILDING INFORMATION MODELLING b) Vertente 2 – É um processo inverso (simulação), em que se pode atualizar simultaneamente o modelo BIM e o SAF, gerando‑se novos resultados e voltar para vertente 1, mantendo assim um processo contínuo. A atualização do modelo BIM é realizado por meio do mesmo processo descrito em (a), ao passo que a atualização do SAF é realizada através do conjunto APDL (Ansys Parametric Design Language) + MATLAB que acedem ao respetivo modelo numérico de elementos finitos e os algoritmos de cálculo de dano de fadiga, atualizando o modelo geométrico de elementos finitos e as cargas do tráfego. 3. Caso de estudo 3.1. Descrição e framework A metodologia descrita na secção anterior é aplicada a um caso real. Trata‑se de um trabalho em curso referente à Ponte de Várzeas, localizada no distrito de Aveiro, Portugal. A ponte é metálica treliçada, composta por 5 vãos e um total de 281m de comprimento. A descrição detalhada pode ser encontrada em [11]. O objetivo é usar o modelo BIM para auxiliar o processo de avaliação da evolução de dano por fadiga nas ligações principais da estrutura da ponte, considerando diferentes cenários que envolvem a carga do tráfego e as propriedades geométricas dos elementos estru‑ turais. Com a possibilidade de automatização do processo de avaliação de fadiga e realce da visualização do que pode acontecer em diversos cenários, forma‑se um GD. Há 4 partes ou processos principais envolvidos na Framework (figura 6). Primeiro é feita a recolha de toda informação sobre a geometria, propriedades mecânicas dos elementos e carga do tráfego real ou típica na ponte, que permite a construção tanto Figura 5 Esquema do processo de integração SAF – Modelo BIM para a ponte. 180 EXPANDINDO USOS BIM PARA CARACTERIZAÇÃO DO ESTADO DE FADIGA... do modelo numérico (Modelo de Elementos Finitos – MEF) como do modelo BIM. A obtenção da informação do tráfego real e que leve ao estado real da fadiga, implica a instrumentação (sensorização) da ponte e aplicação da técnica de Pesagem Dinâ‑ mica na Ponte (Bridge Weigh-in-Motion (B-WIM)), não sendo no entanto, escopo deste trabalho. Adescrição da abordagem e implementação pode ser encontrada em [12]. O MEF e o modelo BIM são construídos separadamente de forma paramétrica (atra‑ vés do APDL para modelo numérico e recursos de código aberto para o modelo BIM). A parametrização permite que seja possível automatizar a atualização dos modelos, assim como construir outros modelos da mesma natureza de forma mais rápida. Figura 6 Framework do Uso BIM para caracterização da evolução de dano por fadiga da Ponte de Várzeas. 1815º CONGRESSO PORTUGUÊS DE BUILDING INFORMATION MODELLING O MEF permite a determinação das propriedades estáticas ou dinâmicas da ponte e, quando combinado com o Método de Danos Lineares Acumulados (MDLA), forma‑se o Sistema de Análise de Fadiga (SAF). Este sistema permite determinar, em função dos dados de entrada (carga do tráfego e propriedades geométricas), o dano por fadiga numa determinada ligação. A interligação entre o SAF e o Modelo BIM, in‑ cluindo como é feita a visualização e consulta da evolução do dano é ilustrada nesta Framework e resumidamente descrita na secção 2. 3.2. Resultados A figura 7a mostra os valores de dano por fadiga processados para detalhes de liga‑ ções pertencentes às diagonais localizadas junto aos apoios da ponte e a 7b ilustra parte da representação da respetiva informação num visualizador BIM. Esta representação é realizada após a integração da informação e produção do mode‑ lo BIM (integrado) em formato IFC, através dos processos anteriormente descritos. Os dados sobre o dano processados correspondem a cenários de carga dos comboios de fadiga tipo “Standard Traffic Mix” e “Heavy Traffix Mix” descritos no Eurocódigo 1-2 [13]. Com o auxílio do visualizador BIM, é possível identificar detalhes críticos ou zonas em bom estado e consultar a informação quantitativa sobre o detalhe em referência. Figura 7 (a) Valores de dano por fadiga processados, para detalhes de ligações das diagonais localizadas junto aos apoios da ponte; (b) Exemplo de representação gráfica e não gráfica da informação do dano numa das diagonais – Visualizador BIM.