Inspeção e monitorização de estruturas em engenharia civil: utilização de UAV na inspeção e monitorização

Nesta tese são abordadas as tipologias e metodologias de monitorização e observação de infraestruturas em engenharia civil, nomeadamente através de aplicação de vários métodos de medição, de ensaios e também com implementação de sensores. Esta tese pretende abordar de uma forma mais concreta a utilização de plataformas UAV (Unmanned Aerial Vehicle) que apresentam vantagens consideráveis para ser utilizado na monitorização de infraestruturas devido à rapidez de aquisição de dados, mobilidade, segurança e ao baixo custo de aquisição e exploração. A monitorização com UAV consiste no aproveitamento de uma plataforma que pode transportar variadíssimos equipamentos para registo de dados, como câmaras e sensores de várias ordens, de uma forma rápida, económica e segura. Os UAV’s possibilitam o tratamento rápido da informação por eles recolhida, em tempo real ou em pós-processamento. Os dados recolhidos, dependendo do tipo de infraestruturas e objetivos, podem ser analisados com diversas aplicações que tratam os dados de acordo com as necessidades, tais como, modelação em 3D, modelos de elevação, cálculo de áreas, termografia, fotogrametria, etc. Nesta tese são apresentados alguns casos práticos onde se evidencia a vantagem da utilização do UAV na monitorização de infraestruturas, onde se verifica a rapidez, eficiência e qualidade na recolha de informação com o reduzido custo de exploração.

Avaliação do comportamento dinâmico da torre sineira da Sé Catedral do Funchal

O objetivo principal deste trabalho consiste na caracterização dinâmica da Torre Sineira da Sé Catedral do Funchal. Esta caracterização tem como base o recurso a técnicas de análise experimental, e em simultâneo, a simulações numéricas. As técnicas experimentais utilizadas baseiam-se na utilização de metodologias de identificação dinâmica com base em medições da resposta estrutural provocada pela excitação ambiente, i.e. vento e tráfego. A campanha de ensaios foi realizada em cinco séries de medição com acelerômetros piezoelétricos de alta sensibilidade e recorrendo a equipamento de aquisição de dados de alto desempenho. Ao longo do trabalho são descritas as principais características dos ensaios, bem como os resultados obtidos recorrendo a técnicas de análise modal operacional, culminando na obtenção dos parâmetros modais dos principais modos de vibração da estrutura. Após o tratamento dos resultados obtidos experimentalmente, estes foram usados para calibrar um modelo numérico implementado num software comercial de elementos finitos. Este modelo tem como base técnicas de modelação correntemente utilizadas na simulação deste tipo de estruturas, bem como parâmetros plausíveis para definir o comportamento mecânico dos materiais. Posteriormente, os resultados obtidos em ambas as abordagens são diretamente comparados, tendo sido possível observar uma boa correspondência entre ambos. Esta dissertação termina com as principais conclusões e com a identificação dos principais desenvolvimentos para trabalhos futuros.

A utilização de varões de GFRP nas estruturas de betão armado

A crescente preocupação com a deterioração e consequente reparação e reabilitação das estruturas de betão armado tradicionais, sobretudo devido ao fenómeno da corrosão associada aos varões de aço, que afecta significativamente a durabilidade deste tipo de estruturas, tem impulsionado a introdução dos varões de GFRP na área da engenharia civil. A progressiva utilização dos varões de GFRP, nas estruturas de betão armado, surge não só no sentido de colmatar as deficiências apresentadas pelo aço convencional, mas igualmente, pelas características que lhe são inerentes, das quais se destacam, entre outras, a elevada resistência à tracção e à fadiga, a elevada resistência química, a sua não condutividade electromagnética e corrosibilidade nula e o seu baixo peso próprio. Contudo, o comportamento frágil consequente do reduzido módulo de elasticidade, o custo início elevado e a falta de códigos de dimensionamento, têm tardado a sua aplicação generalizada. Neste contexto, procede-se no presente documento à elaboração de um Estado da Arte, com intuito de analisar o ponto de situação dos conhecimentos, seguida da apresentação da filosofia de dimensionamento e da descrição das propriedades físicas e mecânicas dos varões de GFRP. No sentido de avaliar o Estado Limite Último (E.L.U.) e o Estado Limite de Serviço (E.L.S.), dos elementos de betão armado com GFRP, realiza-se uma exposição dos modelos de dimensionamento sugeridos pelo ACI 440.1R-06 [3], pelo Fib-Bulletin 40 [21] e pelo ISIS Manual No.3 [25]. Por fim, dimensiona-se três elementos estruturais de betão armado com GFRP, com o objectivo de delinear as principais diferenças entre as armaduras de aço e de GFRP. Os exemplos de aplicação efectuados permitiram concluir, que de facto, o E.L.S. é maioritariamente condicionante neste tipo de estruturas, devido ao reduzido módulo de elasticidade, que afecta significativamente a deformação.

Previsão de produção de energia elétrica a partir do vento

A capacidade de prever a produção de energia eólica com precisão num parque eólico é de extrema relevância tanto do ponto de vista económico bem como de controlo e estabilidade da rede elétrica. Vários e diferentes métodos têm sido utilizados para este propósito, como os físicos, estatísticos, lógica difusa e redes neuronais artificiais. Os dados disponíveis dos parques eólicos contêm ruído e leituras inesperadas em relação às entradas disponíveis. Lidar com estes dados não é uma tarefa simples mas, neste trabalho, as Redes Neuronais Artificiais são usadas para prever a potência gerada baseada em medições locais do vento. Os resultados mostram que as Redes Neuronais Artificiais são uma ferramenta que deve ser considerada nestas difíceis condições, uma vez que elas proporcionam uma precisão razoável nas suas previsões.

Betão autocompactável na Região Autónoma da Madeira: da composição de laboratório à comercialização

A durabilidade das estruturas de betão armado é atualmente encarada como uma grande preocupação,é uma das principais incertezas e com graves consequências económicas, ambientais e sociais. Com a crescente falta de durabilidade e com a necessidade de construir estruturas sustentáveis, surge a preocupação do desenvolvimento do betão autocompactável (BAC). Este betão surge no final dos anos 80 no Japão e insere-se nos betões especiais, com capacidade de garantir à construção grandes benefícios tecnológicos, económicos e ambientais. Trata-se de uma tecnologia sustentável cuja principal vantagem é a qualidade dos trabalhos de compactação em obra, pois este surge para colocar inteiramente de parte o processo de compactação, obtendo-se assim um material homogéneo e consequentemente mais durável. Apesar do BAC possuir excelentes propriedades, a sua implementação na indústria da construção na RAM encontra-se ainda numa fase embrionária. O presente trabalho consiste no estudo e desenvolvimento experimental deste novo material, utilizando os materiais correntemente utilizados na Região Autónoma da Madeira (RAM). Esta dissertação pretende, em parte, ser um contributo para o estabelecimento de uma metodologia que conduza a composições otimizadas, baseando-se num procedimento de tentativa-erro, de forma a satisfazer todos os requisitos de desempenho. Verificou-se ao longo do desenvolvimento deste trabalho, aplicabilidade do BAC na RAM. Foram realizados alguns dimensionamentos de composições autocompactáveis, para isso, inicialmente realizaram-se vários estudos em pastas, argamassas e consequentemente em betões. De forma, avaliar a autocompactabilidade e caracterizar este tipo de betão no estado fresco, foram realizados um conjunto de ensaios em laboratório e ensaios de caracterização mecânica no betão endurecido. Com o objetivo de validar o estudo das composições analisadas em laboratório, foram realizadas algumas aplicações em condições reais, isto é, em produção industrial. Conseguiram-se alcançar as propriedades adequadas de um BAC, sem alterar significativamente os procedimentos de amassadura, transporte e colocação estabelecidos para o betão convencional. Os resultados obtidos foram satisfatórios e culminaram com a apresentação de uma proposta de betão autocompactável otimizada para o lançamento do produto no mercado.

Estudo do efeito do vento na quantificação da precipitação na Ilha da Madeira

Precipitação é toda a forma de deposição de água que cai na superfície terrestre, excluindo aquela que se deposita por nevoeiros, condensação do vapor de água e geada. A medição pontual de precipitação usando udógrafos, durante um determinado período de tempo, tem por objetivo obter uma amostra significativa da queda de precipitação numa determinada área limitada, para poder ser usada em estudos hidrológicos necessários ao planeamento dos recursos hídricos e conceção de todo o tipo de projetos de Engenharia. Estudos efetuados por todo o mundo afirmam que o efeito do vento é o erro tem maior influência na medição de precipitação de um determinado local. Neste estudo será realizado a análise do efeito do vento na medição da quantidade da precipitação, em dois locais da ilha da Madeira (Pico do Areeiro e Funchal), com o objetivo de encontrar uma equação do fator corretivo de precipitação, recorrendo a análise estatística ANOVA do SPSS. A recolha dos dados para a elaboração deste estudo processou-se de Outubro de 2011 até Abril de 2013. Os resultados demonstraram que o udógrafo ao nível do solo regista um maior número de eventos de superior registo de precipitação do que udógrafo do IPMA, situado a 1,5 m de altura acima do solo. No entanto, existe maior registo quantitativo de precipitação no udógrafo do IPMA, comparativamente com o udógrafo do solo. A ocorrência deste último facto poderá dever-se a possíveis erros no registo/medição de precipitação. Na estimativa das equações do fator corretivo de precipitação (k) do Pico do Areeiro e do Funchal, através da análise ANOVA do SPSS, chegou-se à conclusão que, o fator corretivo de precipitação do Pico do Areeiro depende da intensidade de precipitação e da velocidade do vento contudo, o fator corretivo de precipitação do Funchal depende, exclusivamente da intensidade de precipitação.

Avaliação do risco de galgamento de estruturas portuárias: o caso do Porto de Ponta Delgada (Açores, Portugal)

A análise do galgamento de estruturas portuárias não só é importante para a avaliação da segurança de bens, pessoas e equipamentos e das atividades junto a elas desenvolvidas, como também a nível económico e financeiro. A finalidade deste trabalho é a aplicação da metodologia desenvolvida pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a avaliação do risco de galgamento de estruturas portuárias ao Porto de Ponta Delgada, Açores, num período de dois anos (2011 e 2012), para cinco secções nele enquadradas. A metodologia desenvolvida ao longo desde trabalho apresenta como componentes essenciais a caraterização da agitação marítima a que estão sujeitas as secções em estudo e o cálculo do caudal médio de galgamento por metro linear de estrutura. Estas duas variáveis, inicialmente estudadas e indispensáveis neste trabalho, são obtidas com base em dados de agitação marítima em águas profundas fornecidas pelo modelo regional de previsão de agitação WAVEWATCH III, que, acoplado ao modelo espetral SWAN e ao modelo de declive suave DREAMS, permite a obtenção da agitação marítima incidente na entrada do porto e no seu interior, respetivamente. Os resultados do modelo SWAN são validados mediante uma comparação com dados medidos in situ pela boia ondógrafo localizada ao largo da zona em estudo. Os parâmetros de agitação marítima obtidos para as cinco secções em análise permitem determinar o caudal médio de galgamento, com recurso à ferramenta NN_OVERTOPPING, baseada em redes neuronais.Em seguida, como resultado da combinação entre os valores de probabilidades e de consequências associadas, quando ultrapassado um determinado caudal médio de galgamento admissível anteriormente estabelecido para cada zona em estudo, é obtido um grau de risco de galgamento para cada zona analisada, o que permite criar um mapa de risco que servirá de informação para o planeamento de operações e de futuras intervenções nessa envolvente.

Aderência de varões GFRP no betão

A utilização de varões de fibra de vidro (GFRP) em alternativa ao aço em estruturas de betão armado representa uma mais-valia no que respeita a ambientes agressivos, nomeadamente ambientes altamente corrosivos. No entanto a elevada flexibilidade e o comportamento elástico até à rotura levam a comportamentos distintos no que se refere ao seu dimensionamento. A sua aceitação no universo da construção está dependente de uma melhor compreensão do comportamento estrutural deste material. Desta forma a aderência constitui um dos aspetos mais básicos do comportamento estrutural, visto que representa a qualidade da transmissão de tensões das armaduras para o betão. Este parâmetro representa um fator determinante para o cálculo do comprimento de amarração nos códigos de dimensionamento. De acordo com o exposto, esta dissertação tem como objetivo o estudo do comportamento da aderência entre o betão e os varões GFRP. O programa experimental é constituído por dois tipos de ensaio, 18 ensaios de arrancamento com longo comprimento de ancoragem e 18 ensaios com curto comprimento de ancoragem, com intuito de avaliar a influência do diâmetro, do comprimento embebido e do material do varão no comportamento da aderência. Observou-se que as tensões desenvolvidas pelos varões GFRP, num ensaio de tração pura, diminuem consoante o diâmetro do varão aumenta. As tensões de aderência média diminuem com o aumento do comprimento embebido de varão. Os comprimentos de ancoragem ótimos dos varões GFRP aumentam consoante o aumento do diâmetro do varão, no entanto este valor representa cerca de 27 diâmetros do varão em causa. A nível local, verificou-se que as tensões de aderência aumentam conforme o aumento do diâmetro e que as tensões de aderência observadas nos varões GFRP são inferiores aquelas registadas nos varões de aço. Os resultados demonstraram que o confinamento dos provetes é um fator determinante no desenvolvimento de elevadas tensões, principalmente nos varões GFRP de maiores diâmetros, este fator deverá ser tido em conta em trabalhos experimentais futuros.

Avaliação numérica do comportamento sísmico de estruturas de betão armado

Os danos provocados por sismos encontram-se diretamente relacionados com os movimentos do solo que este possa provocar, com a vulnerabilidade da estrutura geológica e com a capacidade das construções para resistirem a tais ações. A preocupação na salvaguarda da vida humana e no mitigar dos danos provocados por eventos sísmicos conduziu a um grande avanço e aperfeiçoamento na compreensão do fenómeno, nas suas consequências e nas técnicas de conceção e de dimensionamento sismo-resistentes. À medida que as exigências técnicas evoluem, procura-se desenvolver métodos de análise que descrevam melhor o comportamento real das estruturas. Embora atualmente as análises dinâmicas tridimensionais lineares com base em análises modais e em coeficientes de comportamento sejam muito utilizadas, devido essencialmente à sua simplicidade e rapidez de execução, tem-se verificado uma crescente aderência a novas metodologias que têm diretamente em conta o comportamento não linear das estruturas quando sujeitas a ações sísmicas. Esta tese tem como principal objetivo estudar diferentes técnicas de simulação numérica do comportamento sísmico de estruturas de betão armado. São descritas as principais características das metodologias de simulação numérica mais utilizadas tanto em gabinete de projeto como em estudos de investigação. É dada especial atenção às análises dinâmicas não lineares, uma vez que esta técnica foi utilizada para simular o comportamento de uma estrutura de betão armado de um piso, que foi ensaiada no âmbito da 15ª Conferência Mundial em Engenharia Sísmica. Para avaliar a capacidade de simulação desta técnica, os resultados numéricos são diretamente comparados com os resultados experimentais, sendo possível verificar uma boa concordâncias entre ambos.

Reabilitação de pontes rodoviárias de betão armado

Cada vez mais na atualidade a reabilitação de obras de arte é de grande importância. Muitas dessas estruturas apresentam degradações e problemas estruturais consideráveis, no qual necessitam urgentemente de ações de reparação e de reforço para garantir um nível de segurança. Em Portugal só se deu uma maior importância à conservação e a reabilitação em obras de arte após a um colapso de uma ponte no concelho de Castelo de Paiva que levou à perda de vidas humanas. Este trabalho preocupa-se a dar a conhecer os vários tipos de patologias que poderão ocorrer na vida de uma ponte, desde da fase conceção e projeto até a fase de serviço, com o intuito de poder sensibilizar para futuras construções de pontes. De forma esquemática apresentam-se os diferentes tipos de inspeções, ensaios e monitorização, cujo através destes, consegue-se acompanhar o estado de conservação e o aparecimento de eventuais anomalias, que possam implicar possíveis restrições ao tráfego ou até mesmo o encerramento. De modo a poder garantir as condições de segurança e durabilidade das pontes de betão armado, ilustram-se algumas soluções e técnicas de reparação e de reforço, salientando que estas soluções e técnicas dependem da natureza e grau das anomalias, da necessidade ou não de manter a circulação de veículos e de fatores técnicos e económicos. De modo a poder exemplificar alguns aspetos importantes, nomeadamente, conservação, patologias, reparação e reforço estrutural, abordam-se duas obras de arte de Portugal Continental (um viaduto e uma ponte) que foram sujeitas a intervenções devido ao seu estado de degradação e a problemas estruturais. Por fim, apresentam-se algumas obras de arte pertencentes à Região Autónoma da Madeira (RAM) onde foram detetadas alguns problemas. Neste sentido, expõem-se algumas soluções às patologias abordadas no contacto visual, de forma a expor o conhecimento adquirido ao longo deste trabalho.

Estruturas de correção torrencial nas ribeiras do Funchal, açudes: inventariação e análise comparativa

A presente dissertação tem como propósito a elaboração de um inventário relativo às estruturas de correção torrencial construídas no concelho do Funchal. Na sequência da aluvião do dia 20 de fevereiro de 2010, resultante de um período prolongado de chuva na ilha da Madeira, aliada ao facto desta ter um relevo muito pronunciado e extremamente acidentado, originaram-se os movimentos de vertente que, na sua grande maioria, são responsáveis pela ocorrência de cheias rápidas. Pois as bacias hidrográficas da ilha são de pequena dimensão e consequentemente as suas ribeiras, dão origem a tempos de concentração muito reduzidos. Desta forma, as ribeiras que são alimentadas pelo escoamento líquido e sólido, tornam-se num agente erosivo e potenciam um rasto de destruição. Esta aluvião teve consequências devastadoras em toda a vertente sul da ilha da Madeira, no entanto, este trabalho, focou-se apenas no concelho do Funchal, no qual existem três ribeiras onde foram implantadas as estruturas de correção torrencial, designadas por açudes, que constituem o âmago deste estudo, através da inventariação destas estruturas e posterior elaboração de uma ficha de inventário relativa a cada uma delas. Inicialmente, procedeu-se à identificação de todos os açudes, à verificação e análise das condições dos locais intervencionados, além de um levantamento fotográfico para execução posterior de um enquadramento geográfico dos mesmos. Foram abordadas algumas considerações de caráter hidrológico, hidráulico e transporte de caudal sólido, que são a base dimensional e a razão da execução dos referidos açudes. Numa fase posterior, foi elaborada uma base de dados com a informação disponível dos vários açudes identificados, munida de valor ímpar para futuros desenvolvimentos nesta área no curso de engenharia civil na Universidade da Madeira. Por fim, são expostas algumas considerações relativamente aos diferentes modelos de estruturas de correção torrencial encontrados na pouca bibliografia especializada e implantados no terreno.

Corrosão do betão armado induzida por carbonatação e pela presença de cloretos

Este trabalho centra-se na problemática da corrosão do betão armado induzida por carbonatação e pela presença de cloretos. Após uma pequena reflexão sobre a durabilidade das estruturas de betão armado e da diminuição da sua vida útil por efeitos de corrosão, é feita uma descrição mais detalhada dos principais efeitos resultantes da carbonatação e da presença de cloretos. São identificados os factores externos e internos que influenciam o aparecimento da carbonatação e da sua progressão (profundidade) e apresentados os métodos mais correntes que permitem a quantificação e previsão deste fenómeno. São também abordadas as causas e efeitos da presença de cloretos, nomeadamente no que diz respeito aos mecanismos de transporte, aos factores que influenciam a velocidade e penetração, bem como os métodos que permitem a determinar a presença de cloretos nas estruturas. De seguida são abordados aspectos relacionados com a protecção e reabilitação de estruturas afectadas pelos dois processos de degradação, nomeadamente a utilização de técnicas electroquímicas, de revestimentos, armaduras especiais e inibidores de corrosão. Por fim, é apresentado um caso de estudo envolvendo os muros de contenção situados num complexo habitacional do concelho de Câmara de Lobos, em parte afectados pelos processos abordados no trabalho, onde são apresentados alguns resultados dos ensaios laboratoriais para a quantificação da carbonatação e o teor de cloretos. O estudo realizado permitiu tirar ilações interessantes quer sobre cada um dos processos, quer sobre o efeito conjunto da carbonatação e presença cloretos, dado que a presença da carbonatação influencia directamente a penetração de cloretos e potencia os seus efeitos. Tendo em conta a morfologia da Madeira e o facto de a construção ser feita a pouca distância do mar, pretende-se que o trabalho possa servir de apoio quer à realização de novos projectos, quer à protecção/reabilitação de estrutura.

Medição do módulo de elasticidade com recurso à videogrametria: comparação com a técnica tradicional

A determinação do módulo de elasticidade dos materiais é fundamental para o dimensionamento de estruturas de engenharia civil, uma vez que os ensaios para determinação desta característica apresentam custos elevados, é frequente a utilização dos valores tabelados pelos regulamentos. Sendo a medição por videogrametria, um sistema recente na aplicação a estruturas de engenharia civil não existe ainda suficiente experiência da sua utilização em certas áreas, como a medição do módulo de elasticidade. Deste modo, esta dissertação avalia este parâmetro através de dois sistemas de medição distintos, sendo eles, o extensómetro tradicional e o vídeo-extensómetro, com o intuito de verificar se a medição de deslocamentos por videogrametria é um bom método para medir pequenas deformações. As marcas de referência para medição por videogrametria são muito importante, assim sendo, foram desenvolvidos vários métodos de marcação no betão até atingir o tipo de marcação que induzia menor variação dos parâmetros medidos. Após a recolha dos dados foram aplicadas ferramentas de cálculo desenvolvidas em Excel a fim de compactar a grande quantidade de dados recolhidos ao longo dos ensaios desenvolvidos. De forma a quantificar e comparar os valores de módulo de elasticidade pelos dois sistemas de medição foram desenvolvidas duas campanhas de ensaios, uma para aços em que foram ensaiados três provetes de aço de varões com os diâmetros de 6mm, 8mm, 10mm, 12mm, 16mm, 20mm, 25mm e 32mm. E uma outra campanha de ensaio que foi destinada ao betão em que foram ensaiados provetes cilíndricos, cúbicos e prismáticos em várias idades até aos 28 dias a fim de determinar o módulo de elasticidade dos mesmos. Com o desenvolver desta dissertação mostrou-se que o sistema de medição por videogrametria para quantificar o módulo de elasticidade, pode ser considerado exato mas não totalmente preciso, assim sendo, este sistema de medição pode ser cuidadosamente aplicado em detrimento do sistema tradicional, sendo provável que com o evoluir tecnológico a sua precisão seja bastante melhorada.