Dr. Eng. Claudius Barbosa

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1 Dr. Eng. Claudius Barbosa
São Paulo, 15 de abril de 2010 AVALIAÇÃO DA SEGURANÇA ESTRUTURAL DE OBRAS-DE-ARTE POR MEIO DE ANÁLISE EXPERIMENTAL E TEÓRICA Dr. Eng. Claudius Barbosa

2 INTRODUÇÃO Controle, monitoramento e avaliação de estruturas
Conservação da estrutura Impedir que a estrutura atinja o ELU ou ELS Otimizar a inspeção, manutenção e intervenções Reduzir custos das intervenções $ tempo Fatores interdependentes Influência do projeto estrutural e detalhamentos Produção do concreto e concretagem Métodos construtivos Manutenção adequada Mudanças da utilização Alteração de carregamentos Alteração das condições ambientais

3 INTRODUÇÃO FISSURAÇÃO Processos primários de degradação química
Lixiviação Ataque de sulfatos: ácido ou base Reação álcali-agregado (RAA) Corrosão das armaduras passivas e ativas FISSURAÇÃO Processos primários de degradação física Erosão e abrasão Dano devido a elevadas temperaturas Congelamento e descongelamento Cristalização de sais Efeitos combinados em estágios avançados

4 INTRODUÇÃO DESEMPENHO DURABILIDADE

5 OBJETIVO Redução da capacidade de serviço
Sistema de gerenciamento Assegurar a segurança e funcionalidade Eficiência e qualidade do serviço ao usuário Redução da capacidade de serviço Perda da capacidade de carregamento Redução da segurança Aumento das restrições ao tráfego Perda do valor estético

6 OBJETIVO Concessões rodoviárias
Infra-estrutura de escoamento de cargas Alteração do trem-tipo dos veículos Aumento do número de vias Ocorrência de danos Limites de vibrações para operações Fadiga da estrutura e ligações Fonte: 6

7 AVALIAÇÃO E MONITORAMENTO
Determinar a extensão do dano; Estimar a resistência do aço e do concreto; Analisar a condição do concreto (carbonatação, cloretos); Avaliar a corrosão do aço; Determinar a perda ou ruptura da protensão; Estimar a capacidade de carregamento; Acompanhar o processo de deterioração da estrutura; Calibrar e validar modelos teóricos.

8 GRAU DO DANO x CUSTO x RECURSOS
SISTEMAS DE GERENCIAMENTO Necessidade Aprofundar o conhecimento sobre o estado da estrutura Acompanhar a evolução da situação da estrutura Analisar a estrutura em situações de sobrecarga/Cargas excepcionais Identificar mudanças no comportamento estrutural (Antes) e após a execução de reparos ou alterações: desempenho Etapas Avaliação: inspeção visual e ensaios não-destrutivos Previsão a evolução do dano: corrosão da armadura, cloretos, etc. Análise das diferentes alternativas de intervenção Definição de prioridades GRAU DO DANO x CUSTO x RECURSOS 8

9 METODOLOGIA WENZEL, H. (2009). Health monitoring of bridges. John Wiley & Sons, Ltd.: UK.

10 METODOLOGIA NÍVEL 0: Avaliação qualitativa do estado da estrutura
Objetivo Descrever os efeitos da degradação, por inspeção visual, como a corrosão das armaduras e danos no concreto (fissuras e destacamentos) Análise Baseia-se principalmente na experiência do engenheiro e é comumente adotado na avaliação prévia de uma estrutura NBR 9452 (1986): Vistoria de pontes e viadutos de concreto. Dr. Eng. Carlos Henrique Siqueira: Concreto e construções – Ibracon. NÍVEL 1: Avaliação do desempenho a partir de medições Objetivo Controlar o desempenho da estrutura e dos valores limites à fadiga (deformações, tensões, deslocamentos, histórico de tensões, abertura de fissuras, amplitudes de vibração, etc.) e analisar a influência de cargas variáveis Confiabilidade Comparação dos dados obtidos com valores limites e análise de correlações e tendências com as influências externas

11 Modelos determinísticos e semi-probabilísticos
METODOLOGIA NÍVEL 2: Avaliação baseada em modelos estruturais simples Objetivo Verificar a segurança e o desempenho após a ocorrência de danos causados por cargas não previstas em projeto, por deterioração ou devido a mudanças de utilização Aquisição de dados Inspeções e obtenção de dados do carregamento e resistência dos materiais a partir de documentos de projeto Análise estrutural Modelos e métodos semelhantes aos utilizados em projeto e modelos específicos mais refinados Confiabilidade Modelos determinísticos e semi-probabilísticos

12 METODOLOGIA NÍVEL 3: Avaliação baseada em modelos estruturais refinados Objetivo Determinação da capacidade de carga e tempo de vida útil de estruturas danificadas Aquisição de dados Ensaios não-destrutivos para avaliação das propriedades mecânicas dos materiais e obtenção das reais dimensões dos elementos estruturais com monitoramento de carregamento e provas de carga Análise estrutural Modelos e métodos refinados Confiabilidade Modelos semi-probabilísticos

13 Modelos semi-probabilísticos
METODOLOGIA NÍVEL 4: Avaliação baseada em modelos estruturais refinados e específicos Objetivo Adaptar o nível de segurança em função das conseqüências da ruína estrutural, utilidade da estrutura e características da ruína Aquisição de dados Ensaios não-destrutivos para avaliação das propriedades mecânicas dos materiais, obtenção das reais dimensões dos elementos estruturais e monitoramento do carregamento e provas de carga Análise estrutural Modelos e métodos refinados e modelos específicos, como por exemplo, considerando o dano progressivo Confiabilidade Modelos semi-probabilísticos

14 Método de aproximação probabilística e métodos de simulação
METODOLOGIA NÍVEL 5: Avaliação baseada em modelos estruturais probabilísticos Objetivo Determinação da capacidade de carregamento e tempo de vida útil de estruturas danificadas com consideração de incertezas Aquisição de dados Ensaios não-destrutivos para avaliação das propriedades mecânicas dos materiais e obtenção das reais dimensões dos elementos estruturais com monitoramento do carregamento e provas de carga e análise estatística dos dados Análise estrutural Modelos e métodos refinados e modelos avançados, como por exemplo, modelos estocásticos Confiabilidade Método de aproximação probabilística e métodos de simulação INTERNATIONAL STANDARD - ISO Mechanical vibrations and shock – Guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaducts, 2003. INTERNATIONAL STANDARD - ISO Mechanical vibrations – Evaluation of measurements results from dynamic tests and investigations on bridges, 2004.

15 METODOLOGIA Avaliação da segurança estrutural Aquisição de dados
Análise Estrutural Análise da confiabilidade

16 METODOLOGIA Provas não-destrutivas Ensaios esclerométrico
Monitoração com ultra-som Ensaios de pacometria Monitoração de corrosão de armadura Monitoração das vibrações induzidas pelo tráfego normal

17 METODOLOGIA Provas parcialmente destrutivas
Avaliação das tensões nos cabos de protensão Extração de amostras e ensaios em laboratórios Provas de carga Análise de vibrações oriundas de veículos adaptados Vibrações forçadas provenientes de geradores mecânicos Provas de carga estática

18 ANÁLISE DINÂMICA Prova de carga estática Prova de carga dinâmica

19 ANÁLISE DINÂMICA carregamento imposto à estrutura lentamente
os efeitos dinâmicos não são induzidos Ensaios estáticos obtenção de características elastico-dissipativas comportamento da estrutura sob cargas dinâmicas Ensaios dinâmicos

20 ANÁLISE DINÂMICA técnica não-destrutiva: avalia a integridade estrutural obtenção das acelerações da estrutura por meio de instrumentos determinação das freqüências naturais determinação dos modos de vibração e amortecimento identificação de comportamentos anômalos controle de qualidade ao longo da vida útil avaliação de serviços de recuperação avaliação da segurança estrutural após condições extremas utilização do histórico para comparações pertinentes

21 elásticas-dissipativas
ANÁLISE DINÂMICA A MONITORAÇÃO DINÂMICA é uma técnica não-destrutiva utilizada AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE DA ESTRUTURA Parâmetros dinâmicos características mecânico-estruturais inércias referentes às massas Propriedades elásticas-dissipativas Excitação da estrutura Ensaio com vibração ambiente (operação normal) Ensaio de vibração livre Ensaios de vibração forçada CUSTO x LOGÍSTICA x PARÂMETROS MODAIS

22 ANÁLISE DINÂMICA Gerador mecânico de vibrações (VIBRODINA)
Fixado à estrutura Controle das forças Análise em diversas direções Controle das freqüências

23 METODOLOGIA Avaliação estrutural Monitoração dinâmica Instrumentação
Metodologia IEME usualmente empregada Inspeção visual Análise de documentos Ensaios não-destrutivos Instrumentação: análise periódica e contínua Ensaios estáticos e dinâmicos Elaboração de modelos numéricos Análises teóricas complementares Instrumentação Monitoração dinâmica Avaliação estrutural Modelos numéricos 23

24 EXEMPLOS Ponte Guilherme de Almeida 24

25 EXEMPLOS INSPEÇÃO VISUAL 25

26 EXEMPLOS ESCLEROMETRIA / EXTRAÇÃO CPs MONITORAÇÃO DINÂMICA 26

27 ULTRASSOM E ESCLEROMETRIA
EXEMPLOS ULTRASSOM E ESCLEROMETRIA 27

28 EXTRAÇÃO DE CORPOS-DE-PROVA
EXEMPLOS CORREÇÃO DOS VALORES EXTRAÇÃO DE CORPOS-DE-PROVA 28

29 EXEMPLOS 29

30 EXEMPLOS A1V / Tab.3 / PL aceleração (mm/s²) tempo (s) freqüência (Hz)
Autodensidade espectral de potência FFT 30

31 EXEMPLOS Calibração do modelo numérico FLEXÃO
freqüência (Hz) FLEXÃO Freqüência natural experimental Modo de vibração: flexão Valores: 1,79 Hz / 2,02 Hz / 2,33 Hz Freqüência natural teórica Modo de vibração: flexão Valores: 1,79 Hz / 2,12 Hz / 2,43 Hz ≠4% 31

32 EXEMPLOS DIMENSIONAMENTO E VERIFICAÇÃO Calibração do modelo numérico
TORÇÃO DIMENSIONAMENTO E VERIFICAÇÃO Freqüência natural experimental Modo de vibração: torção Valor: 3,09 Hz Freqüência natural teórica Modo de vibração: torção Valores: 3,18 Hz ≠3% 32

33 Modelo em elementos finitos:
EXEMPLOS Patologia na viga travessa Modelo em elementos finitos: Análise linear 33

34 EXEMPLOS 34 34

35 EXEMPLOS Ponte sobre o Rio Atibainha

36 EXEMPLOS Ponte sobre o Rio Guandu 36

37 ANÁLISE DINÂMICA EXPERIMENTAL ANÁLISE DINÂMICA TEÓRICA
EXEMPLOS ANÁLISE DINÂMICA EXPERIMENTAL A estrutura trabalha no regime elástico, indicando o boa condição estrutural As freqüências naturais, na direção transversal, são baixas A ponte apresenta comportamento simétrico: homogeneidade dos materiais ANÁLISE DINÂMICA TEÓRICA As travessas trabalham de acordo com o esquema estrutural previsto As extremidades livres dos balanços estão apoiadas no solo: apoio elástico Os tubulões estão assentados em apoios fixos: fundação com elevada rigidez 37

38 EXEMPLOS Ponte sobre o Rio Ribeira do Iguape ANOMALIA DOS
DANO LOCALIZAÇÃO INTERVENÇÃO ANOMALIA DOS MODOS FLEXIONAIS ? 38

39 EXEMPLOS 39

40 EXEMPLOS Inspeção subaquática Principais anomalias
Mergulhadores especializados e equipamentos apropriados Vistoria de todos os tubulões submersos e respectivos blocos de travamento Principais anomalias Vazio na face inferior dos blocos de travamento, principalmente nos vãos 5, 6 e 7 Fissuras verticais em tubulões dos eixos 6 e 7, algumas estendendo-se do bloco até o leito do Rio. 40

41 EXEMPLOS INSPEÇÃO SUBAQUÁTICA INDICAÇÃO DE REFORÇO 41

42 Fissuras com aspectos de RAA
EXEMPLOS Ponte afetada por RAA Fissuras com aspectos de RAA 42 42

43 EXEMPLOS Medição da expansão da estrutura de concreto
Monitoração da abertura de fissuras com carregamento estático 43 43

44 EXEMPLOS Modelo matemático para avaliação da RAA e análise modal
Monitoração da movimentação das fissuras 44 44

45 TRABALHOS DE REFERÊNCIA
Ponte Rio-Niterói Estação Ponte Estaiada Parque Aquático (RJ) Canindé Parque Antártica Estádio Olímpico JH 45 45

46 CONCLUSÃO Diversos fatores, desde o projeto, determinam o desempenho e a durabilidade das obras de arte; A falta de manutenção possibilita o alastramento de patologias nestas estruturas, entretanto, quanto antes houver a intervenção, menor será seu custo; A avaliação e o monitoramento, realizados da forma correta, são instrumentos eficazes para detecção de danos e de desempenho insatisfatório das estruturas; Existem diversos níveis de avaliação da segurança estrutural, mais ou menos detalhados, que permitem um acompanhamento seguro do comportamento da estrutura ao longo dos anos; 46 46

47 CONCLUSÃO Os ensaios dinâmicos: técnica eficaz e não-destrutiva para análise do comportamento estrutural, possibilitando a detecção de danos e do comportamento anômalo da estrutura; Com esta técnica, é possível a detecção de danos não-visíveis da estrutura, recomendando-se o procedimento específico para a patologia; Em outros casos, a suspeita de danos à estrutura foi descartada com segurança, garantindo a economia em relação à recuperação estrutural; Os modelos numéricos e as análises dinâmicas são inter-dependentes, permitindo uma análise refinada sobre a condição estrutural de pontes e viadutos. 47 47

48 CONCLUSÃO Análise experimental Modelo numérico confiável
Análises teóricas (variáveis) 48 48

49 AGRADECIMENTOS QUESTIONAMENTOS 49 49