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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Nº 174250
Monitoramento de saúde estrutural (SHM)
Luiz Eduardo Lopes
Palestra apresentada na SEMANA DE ENGENHARIA MACKENZIE, 2016., São Paulo. Palestra. 44 slides.
A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT
Av. Prof. Almeida Prado, 532 | Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 | CEP 01064-970
São Paulo | SP | Brasil | CEP 05508-901 Tel 11 3767 4374/4000 | Fax 11 3767-4099
www.ipt.br
Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM)
Semana de Engenharia Mackenzie
Prof. Dr. Luiz Eduardo Lopes
12/09/2016
Estruturas - Exemplos
Apesar da engenharia ser a arte de rearranjar os
materiais e forças da natureza para benefício da
sociedade, as leis imutáveis da natureza sempre
restringirão o engenheiro aqueles rearranjos que
podem ou não ser feitos.
Engenharia
Elétrica Engenharia
Eletrônica
Engenharia
Civil
Engenharia
Mecânica
Uma ideia que unifica todas as engenharias é o
Conceito de Falha (falta de sucesso)
As invenções são bem sucedidas na medida em que
seus criadores conseguem vislumbrar como os
componentes podem falhar no desempenho conforme
desejado.
Quase todos os cálculos que fazemos
na engenharia são cálculos de falha
Os critérios de falha orientam o projeto desde a sua concepção.
Os engenheiros são capazes de formular e calcular
detalhadamente forças e deformações, fluxos, correntes e
voltagens que são necessários para testar um projeto no papel
com respeito aos critérios de falha estabelecidos.
A habilidade de calcular permite prever o desempenho de um
projeto antes que ele seja construído e testado.
Um projeto sem falhas não significa somente
aquele onde a estrutura projetada não entra em
colapso mas sim aquele onde a estrutura
permanece saudável ao longo de sua vida. Por exemplo, sem sinais de corrosão rápida ou trincas
por fadiga após alguns anos de uso.
Quais inovações levam a um projeto bem sucedido
e quais levam ao fracasso não é completamente
previsível. Cada oportunidade para projetar algo
novo, seja uma ponte, um edifício, um avião ou um
computador apresenta ao engenheiro uma
infinidade de escolhas.
O engenheiro pode copiar muitas
características boas de outros projetos bem
sucedidos frente às forças do homem e da
natureza ou tentar melhorar os aspectos que
considera inadequados.
Uma ponte de muitos anos de vida que desenvolveu trincas
inócuas em certas regiões pode servir de base para um
projeto melhorado de ponte com as mesmas características
de dimensões e tráfego. Por outro lado um projeto que não
apresentou problemas ao longo dos anos ou décadas pode
orientar ao engenheiro na busca de soluções mais leves e
mais baratas para construir já que o projeto parece
superdimensionado
FALHAS ESTRUTURAIS
TERMOS ASSOCIADOS
DANO
EVENTO QUE CAUSA PERDA DE VALOR
PODE LEVAR À FALHA
FALHA
EVENTO QUE CAUSA FRACASSO DO
COMPONENTE OU SISTEMA EM CUMPRIR
OS OBJETIVOS ESTABELECIDOS NO
PROJETO
A detecção de dano no estágio inicial pode salvar
vidas e dinheiro. Tradicionalmente a detecção de dano é realizada por meio de manutenções
periódicas e inspeção visual , por pessoal qualificado, após ocorrido o dano.
Inspeções visuais impõem altos custos e
inconveniência para os proprietários e usuários.
Para inspeção visual pode ser necessária a remoção
de componentes não estruturais seja na área civil ou
mecânica. Além disso o pessoal qualificado para tal inspeção pode não estar disponível
imediatamente após o evento de dano, prolongando o tempo de parada da
estrutura.
Projeto Tolerante ao Dano
Para a redução de peso o conceito de “Projeto Tolerante ao Dano” tem sido
utilizado pela industria aeroespacial.
O conceito é baseado na ideia de que um certo número de defeitos
pode ser tolerado num componente estrutural antes que ele tenha que
ser reparado ou trocado.
Para garantir a integridade estrutural de tal componente deve-se fazer
inspeções não destrutivas continuamente o que leva a tempos grandes
de parada das aeronaves.
Se tal sistema de inspeção não destrutiva pudesse ser permanentemente aplicado à
estruturas de interesse e operados em tempo real, especialmente em areas distribuidas
e de difícil acesso, haveria uma redução acentuada nos tempos de parada e
consequentemente nos custos de manutenção
Ensaios Não Destrutivos (END) são técnicas utilizadas na
inspeção de materiais e equipamentos sem danificá-los,
sendo executadas nas etapas de fabricação, construção,
montagem e manutenção
As principais técnicas de Ensaios Não Destrutivos (END) são:
• Correntes Parasitas
• Emissão Acústica
• Radiografia, Radioscopia e Gamagrafia
• Ensaio Visual
• Estanqueidade
• Líquido Penetrante
• Partículas Magnéticas
• Ultrassom
• Termografia
MONITORAMENTO DE SAÚDE ESTRUTURAL- SHM
É O PROCESSO DE IMPLEMENTAÇÃO DE UMA
ESTRATÉGIA DE DETECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
DE DANO EM ESTRUTURAS
O objetivo do SHM é melhorar a segurança e a confiabilidade de
sistemas estruturais por meio da detecção do dano antes que ele atinja
um estado crítico e que permita uma rápida avaliação após o evento
Geofísica
•Mecânica dos solos
•Vulcões
•Terremotos
Aeroespacial
•Aviões civis e
militares
•Veículos espaciais
•Helicópteros
Engenharia Civil
•Prédios
•Pontes
•Represas
•Túneis
•Mineração
Transporte
•Automotivo
•Trem
•Navios
Energia
•Instalações e
dutos de óleo e
gás
•Turbinas Eólicas
•Centrais
Nucleares
Plantas Químicas
•Tubulações
•Tanques
Defesa
•Transporte e
armazenamento
de munição
Aplicações de SHM
Nossos corpos normalmente
nos permitem saber quando
eles requerem algum tipo de
cuidado ou tratamento
Podem as estruturas feitas pelo
homem fazer o mesmo?
Quando o óleo do motor de um automóvel é trocado a cada 5.000 km, apesar
do óleo ainda ser utilizável, obriga o proprietário a pagar por mais trocas do que
o necessário durante a vida do automóvel, sem mencionar o desnecessário
impacto ambiental. O custo das trocas de óleo desnecessárias pode não ser
um problema mas aposentar grandes estruturas antes do tempo pode custar
muito mais.
Podemos economizar, ganhar eficiência e melhorar a
segurança para a sociedade com a mudança da nossa
cultura de manutenção com base no tempo para
manutenção com base em condições da estrutura ou do
sistema.
Uma estratégia bem sucedida de SHM pode permitir uma
redução significativa no custo de posse (ownership cost),
minimização do tempo de parada não programada e/ou
permitir uma vantagem significativa na segurança durante a
vida por meio da remediação de falhas catastróficas
Manutenção
programada
(baseada no
tempo)
Manutenção
baseada em
condições da
estrutura
Um dos Objetivos Principais
DE PARA
Fenômeno Físico Monitorado
(associado ao dano)
Sistema de Monitoramento de
Integridade
(definido por um fenômeno
físico medido e tratamento de
dados adaptado
Dano
Estrutura
Monitorada
Variáveis físicas que podem ser monitoradas para
o SHM
Deflexões
Deformações/ Tensões
Rotações
Temperaturas
Acelerações
Corrosão
Pré Cargas
Processo de implantação de SHM 1. Avaliação da Operação do Sistema/ Estrutura
Justificativa econômica de de segurança
Identificação dos tipos de danos e os mais críticos
Condições operacionais e ambientais
2. Sistema de Aquisição de Dados
Método de Excitação
Tipos de Sensores
Quantidade e Localização dos Sensores
Equipamento de Aquisição/Armazenamento/Transmissão de Dados
Frequência de Aquisição
Técnicas de Filtragem e Processamento de Sinais
Dados de Danos e Ambientais/Operacionais
Qualidade
3.Tratamento dos Dados
Correlação da Medida da Resposta com o Tipo de Dano
Desenvolvimento do Modelo Estatístico
O Processo Multidisciplinar de SHM
Componentes do SHM
Estrutura
Sensores
Sistema de Aquisição de dados
Gerenciamento de Dados
Transferência de Dados
Interpretação de Dados e Diagnóstico
Normalização dos dados coletados
Separação das mudanças de leitura dos sensores
causadas por dano daquelas causadas por
condições variáveis de operação e ambientais
Extração de Características
A extração de características fornece os critérios
técnicos para distinguir entre itens danificados e não
danificados da estrutura
Desenvolvimento do Modelo Estatístico
O desenvolvimento do modelo estatístico é utilizado para
determinar estruturas danificadas e não danificadas
Sensores
Sensores medem a quantidade física de dano e enviam
os dados para o computador/sistema de aquisição
Sensores adequados:
São sensíveis às propriedades medidas
São insensíveis à quaisquer outras propriedades
que podem ser encontradas nas suas aplicações
Não influenciam a propriedade medida
Sistema de Aquisição de Dados
Aquisição de Dados é o processo de amostragem dos
sinais que converte a amostra em valores numéricos
digitais.
Incluem:
Sensores
Circuito de Condicionamento de Sinal
Conversores Analógicos/Digitais (A/D)
Monitoramento da Saúde Estrutural de uma Ponte
Sensores
Monitoramento da Saúde Estrutural de um Avião
Monitoramento da Saúde Estrutural (Delaminação) de
uma Asa de Avião
Monitoramento da Saúde Estrutural (Estruturas Civis)
Monitoramento da Saúde Estrutural de um Oleoduto
Monitoramento da Saúde Estrutural de Infraestrutura de Ferrovia
Monitoramento Tradicional com Strain-Gauges por Fiação
Sensor de deformação convencional (strain-gauge) elétrico
necessita normalmente de 3 fios por ponto monitorado
Fiação para 400 pontos
monitorados por strain-gauges
Sensor Piezo elétrico Aplicação: Monitorar a deformação e deflexão de
estruturas
Identificar, localizar e quantificar o
desempenho estrutural do sistema pela
vibração e resposta em frequência de uma
rede de sensores piezo elétricos
Sensor Ultrassônico
Esta técnica se baseia nas ondas transversais (shear) geradas por
uma sonda (normalmente um transdutor piezo elétrico) num
determinado ponto da estrutura e monitorada por outra em local
diferente. As áreas danificadas afetam a propagação da onda
ultrasônica na estrutura, permitindo sua identificação
SHM de Auto Reparo - Sensores Piezoelétricos + Ionomeros
Sensores de Nanotubos de Carbono
Película (skin) espacial sensora de nanotubo de carbono: utilizando
nanotubo de carbono fixado à estrutura formando uma película contínua e
condutiva
Colheita de Energia
Fontes de Energia para
Sensores sem Fio:
solar, térmica, vento e cinética
Vantagens:
Sensores independentes e
autoalimentados
Menor infraestrutura de cabos
de potência
Menor consumo de energia
Geradores Piezoelétricos instalados
abaixo da superfície da estrada.
Energia elétrica gerada pela vibração
Caminhos do SHM
1. Pode ser utilizado em qualquer estrutura que nos interessa manter
2. Com maior desenvolvimento dos MEMS- Sistemas microelétrico
mecânicos, SHM pode ser aplicado em pequenos dispositivos
3. Uso no dia a dia:
Pneu auto reparável
Pneu auto calibrável
Proteção superficial auto reparável
Monitoramento de tensões, carga e fadiga em mobiliário
4. Novos protocolos de comunicação para reduzir o consumo de energia
Custo do SHM de uma Ponte
Local: Minneapolis, USA
Ano: 2008
Custo da Estrutura: US$ 234 milhões
Custo do SHM: US$ 1 milhão
Número de Sensores: 500
Custo por Sensor: US$ 2.000
Tecnologia: Sem fio
SHM deve reduzir de 15 a 25% dos
custos de manutenção de longo prazo
Conclusões
1. Aumento do mercado e produção em massa vai reduzir os custos
MEMS- sensores e atuadores -12% /ano
Rede de Sensores sem fio- 13% /ano
Colheita de Energia- 50% /ano
2. Outros fatores de redução de custo
Menor mão de obra e custos de engenharia devido a redes sem
fio e melhores sistemas de monitoramento
Sensores menores, melhor desempenho, menor custo e menor
consumo de energia
Internet das coisas
3. Aplicação de tecnologias SHM depende da localização geográfica
Colheita de energia solar precisa de ambiente ensolarado
4. A tecnologia SHM se tornará mais efetiva com a evolução do conceito
de “auto”, colheita de energia e novos materiais
Fontes Adicionais de Informações
Balageas, Daniel, Structural Health monitoring , 1st Edition,
ISTE, 2006, ISBN-13: 978-1-905209-01-9
Farrar, Charles R., Structural Health Monitoring: A Machine
Learning Perspective 1st Edition, Wiley, 2007, ISBN-13: 978-
1119994336
Armor, University of California, San Diego
“Sensors, Sensors Everywhere”, Los Alamos Science and
Technology Magazine, July 2013