AVALIAÇÃO DA SEGURANÇA ESTRUTURAL DE OBRAS-DE-ARTE POR MEIO DE ANÁLISE EXPERIMENTAL E TEÓRICA

1. 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. $ tempo 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 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. FISSURAÇÃO INTRODUÇÃO Processos primários de degradação química • Lixiviação • Ataque de sulfatos: ácido ou base • Reação álcali-agregado (RAA) • Corrosão das armaduras passivas e ativas 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 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. Fonte: http://www.grupoccr.com.br/ 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 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. 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 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

11. METODOLOGIA NÍVEL 2: Avaliação baseada em modelos estruturais simples

12. METODOLOGIA NÍVEL 3: Avaliação baseada em modelos estruturais refinados

13. METODOLOGIA NÍVEL 4: Avaliação baseada em modelos estruturais refinados e específicos

14. METODOLOGIA NÍVEL 5: Avaliação baseada em modelos estruturais probabilísticos INTERNATIONAL STANDARD - ISO 14963. Mechanical vibrations and shock – Guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaducts, 2003. INTERNATIONAL STANDARD - ISO 18649. Mechanical vibrations – Evaluation of measurements results from dynamic tests and investigations on bridges, 2004.

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

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. carregamento imposto à estrutura lentamente • os efeitos dinâmicos não são induzidos • obtenção de características elastico-dissipativas • comportamento da estrutura sob cargas dinâmicas ANÁLISE DINÂMICA Ensaios estáticos 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. características mecânico-estruturais • inércias referentes às massas ANÁLISE DINÂMICA A MONITORAÇÃO DINÂMICA é uma técnica não-destrutiva utilizada AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE DA ESTRUTURA Parâmetros dinâmicos 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. Avaliação estrutural Monitoração dinâmica Instrumentação Modelos numéricos METODOLOGIA Metodologia IEME usualmente empregada • Inspeção visual • Análise de documentos • Ensaiosnão-destrutivos • Instrumentação: análise periódica e contínua • Ensaios estáticos e dinâmicos • Elaboração de modelos numéricos • Análises teóricas complementares 23

24. EXEMPLOS Ponte Guilherme de Almeida 24

25. EXEMPLOS INSPEÇÃO VISUAL 25

26. EXEMPLOS ESCLEROMETRIA / EXTRAÇÃO CPs MONITORAÇÃO DINÂMICA 26

27. EXEMPLOS ULTRASSOM E ESCLEROMETRIA 27

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

29. EXEMPLOS 29

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

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

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

33. 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. 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 DANO LOCALIZAÇÃO INTERVENÇÃO ANOMALIA DOS MODOS FLEXIONAIS ? 38

39. EXEMPLOS 39

40. EXEMPLOS Inspeção subaquática • 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. 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