A integridade estrutural das pontes pode ser medida em tempo real por segurança?

Como acompanhamento dessa pergunta , pergunto-me se as informações de monitoramento da integridade estrutural podem ser fornecidas em tempo real e em um grau suficiente para que decisões de segurança possam ser tomadas realisticamente a partir dessas informações.

Para contextualizar, nos EUA e em outras partes do mundo os governos federal, estadual e local recebem regularmente relatórios de integridade estrutural da infraestrutura, incluindo pontes. Esses relatórios são os resultados de avaliações realizadas de forma programada e podem levar muitos meses ou possivelmente anos entre as avaliações.

As pontes são uma parte importante da economia do governo federal, estadual e local, pois fornecem infraestrutura crítica. Também é importante proteger marcos históricos como a Ponte Golden Gate.

_{Ponte Golden Gate, uma ponte icônica nos Estados Unidos}

E as consequências de informações insuficientes podem ser bastante graves. Por exemplo, em agosto de 2007, a ponte do rio Mississippi I-35W desabou, o que resultou na perda de muitas vidas.

_{I-35W após o colapso}

Questão:

• Existem tecnologias que poderiam fornecer status em tempo real para ajudar a prevenir governos federais, estaduais e locais de falhas iminentes nas pontes? Por exemplo, há algo que poderia ter previsto o colapso da I-35 e notificado o público para evitar a perda de vidas? Parece que esse sensor sem fio para monitorar a integridade estrutural das pontes funcionaria, mas não tenho certeza, pois o domínio está fora da minha experiência.

Existem muitos sensores diferentes que podem ser colocados em uma ponte para ajudar a monitorar sua condição . Após o colapso da ponte I-35, essa área recebeu muita publicidade . A maioria desses sensores estava disponível anteriormente, mas a necessidade não era tão aparente para o público.

Sensores

• Acelerômetros
• Medidores de tensão
• Transdutores de deslocamento
• Estações de detecção de nível (monitores de inclinação)
• Anemômetros
• Sensores de temperatura
• Sensores dinâmicos de peso em movimento
• Monitores de corrosão
• Monitores acústicos de trincas
• Monitores de cabo acústico

Esses sensores podem ser conectados ou sem fio. Alguns são alimentados pelas vibrações dos veículos que passam.

Custo

O custo é um fator importante na consideração de um sistema de monitoramento de pontes. Mesmo que o custo inicial pareça razoável :

Os sensores são pequenos, sem fio, robustos e praticamente não requerem manutenção, diz ele. Espera-se que durem mais de uma década, cada uma custando cerca de US $ 20. Uma ponte rodoviária de tamanho médio precisaria de cerca de 500 sensores para um custo total de US $ 10.000.

Isso não explica o custo do monitoramento contínuo dos sensores. O monitoramento em tempo real é caro e até menos do que o monitoramento em tempo real impõe uma drenagem constante nos orçamentos do Departamento de Transportes, que já são muito limitados. Se houvesse mais dinheiro no orçamento, as pontes estariam em melhores condições.

Essas pontes já são inspecionadas regularmente por inspetores treinados que escalam por toda a estrutura. Isso foi feito na ponte I-35 e ainda desabou.

O custo e a complexidade dos sistemas significam que apenas algumas estruturas muito grandes seriam totalmente monitoradas. O custo desses sistemas é provavelmente superior ao valor listado acima. O valor acima também é apenas o custo dos sensores individuais. Um estudo completo da ponte teria que ser feito para garantir que os sensores sejam colocados nos locais onde seriam mais úteis.

Localização

Cada sensor mede apenas um único ponto de dados. Teria que haver muita reflexão e pesquisa para determinar quais sensores são os mais benéficos.

Mesmo após a colocação dos sensores, é necessário que existam critérios abrangentes para que as pessoas que monitoram os resultados do sensor saibam o que constitui um aviso . Pode haver muitos falsos positivos e talvez até falsos negativos.

Como um artigo aponta:

Por fim, acrescenta Fu, o sensoriamento remoto em tempo real servirá como um complemento valioso, mas não substituirá completamente as inspeções humanas. "Você não pode colocar sensores em todos os lugares", diz ele.

Resultado final

Mesmo que todos esses sensores estivessem no lugar na ponte I-35 e monitorados em tempo real, o colapso real aconteceu tão rápido que o tráfego não seria capaz de parar a tempo. A única diferença seria que haveria muito mais informações para os investigadores passarem.

Pense na caixa preta de um avião , mas como uma ponte.

O monitoramento em tempo real pode ser feito e já foi feito. A tecnologia está lá e, como apontado por hazzey, é uma questão de custo versus o risco envolvido.

Como engenheiro praticante, estou envolvido em dois projetos de escavação profunda em dois países diferentes, onde um túnel de corte e cobertura é / foi construído logo abaixo de uma importante ponte rodoviária. Nos dois casos, o fechamento ou desvio de tráfego não é uma opção. As Autoridades da Construção nos dois projetos solicitaram o monitoramento da saúde estrutural em tempo real, pois as consequências de um acidente podem ser catastróficas.

Nos dois projetos, uma matriz de prismas ópticos, juntamente com estações totais robóticas, são implantadas para monitorar os movimentos do píer da ponte. As estações totais são conectadas em rede a um servidor no qual os dados estão sendo carregados continuamente. O próprio servidor está conectado à Internet, onde as partes envolvidas podem baixar os dados e processar as informações. Além disso, alguns sistemas podem gerar alertas por SMS caso um nível predeterminado seja violado.

Antes de qualquer monitoramento, uma avaliação de impacto / dano deve ser realizada para determinar:

• o movimento previsto do solo (horizontal e vertical) na fundação da ponte com base no método de construção
• o tipo de força que será induzida nas pilhas
• a capacidade estrutural das estacas existentes, conforme determinado a partir de desenhos construídos
• a carga existente nas estacas durante o serviço
• a capacidade de reserva das estacas
• movimento lateral admissível e assentamento da fundação da ponte

Isto é seguido por uma pesquisa de condição para avaliar o estado atual da saúde da ponte. Geralmente inclui inspeção visual de trincas e medições nos movimentos dos rolamentos da ponte.

Pontes de concreto armado e aço, em circunstâncias normais, não requerem monitoramento em tempo real, pois não falham repentinamente. Pontes que foram projetadas corretamente tendem a falhar na manutenção antes de falhar estruturalmente, dando aviso suficiente antes do colapso. Além disso, a inspeção e manutenção regulares das pontes ajudam a garantir que as pontes permaneçam em serviço.

Com dados suficientes, o monitoramento em tempo real pode capturar tendências de movimento a longo prazo e suavizar erros de leitura. Em casos de projeto fatal, erro humano na interpretação dos registros da pesquisa ou erro humano na avaliação da capacidade estrutural da ponte, o monitoramento em tempo real não seria de grande ajuda para evitar um desastre.

O monitoramento estrutural com sensores é realmente possível. Os problemas são o custo do monitoramento e quais partes podem realmente ser monitoradas.

Quanto mais crítica for uma ponte, mais provavelmente valerá a pena pagar o custo do monitoramento (a criticidade deve-se principalmente ao número de veículos que circulam por dia, mas também à disponibilidade de rotas alternativas e ao comprimento da mesma (ou seja, número de veículos que pode estar nele durante o colapso) desempenham um papel). Uma ponte importante construída nos dias de hoje provavelmente terá algum tipo de monitoramento embutido, conforme observado no artigo que você vinculou, e um exemplo é a Quarta Passagem de Substituição (agora denominada Queensferry Crossing). Algumas pontes tiveram sistemas adaptados, como a existente Forth Road Bridge , que possui monitoramento acústico para ouvir o estalo dos cabos.

É provável que as pontes existentes sejam equipadas com monitoramento se uma avaliação mostrar que há motivos de preocupação. Se uma avaliação da ponte verificar que parte da ponte está se deteriorando, ela poderá recomendar inspeções mais frequentes ou a instalação do monitoramento. Devido ao custo do monitoramento, é provável que isso ocorra apenas nas principais pontes.

Então, o monitoramento poderia ter impedido o colapso da I35-W?

Em primeiro lugar: a I35-W, embora não seja uma ponte pequena, não estava na mesma escala que a ponte Golden Gate ou as pontes Forth. Portanto, o monitoramento provavelmente só seria instalado se a ponte tivesse sido identificada como deficiente. E isso não aconteceu porque as inspeções e avaliações de rotina da ponte não perceberam que uma pequena placa de conexão estava subdimensionada. Seu link para sensores parece sugerir que novos sensores mais baratos podem estar disponíveis agora. Ainda não consigo ver o custo como acessível, dado o número de pontes que cada autoridade tem controle, mas talvez por um longo período (digamos 50 anos, pois o orçamento pode chegar a 2% das pontes de uma autoridade por ano - números arrancado completamente do ar por mim) isso poderia acontecer.

Segundo: não acredito que a maioria dos monitoramentos seja em tempo real. Embora eu tenha certeza de que os sistemas de monitoramento possuem alarmes automáticos que disparam se ocorrer um movimento significativo, luto para acreditar que alguém teria uma resposta particularmente rápida a ele. Muito provavelmente, um alarme do sistema resultaria em alguém dando uma olhada, talvez no mesmo dia, talvez não. Principalmente, os sistemas existem para analisar questões de longo prazo. Tomando a Forth Road Bridge como exemplo - o monitoramento acústico está lá para gravar o "ping" de um fio de encaixe. Existem alguns milhares de fios individuais que compõem os cabos de suspensão. O monitoramento acústico está lá para que alguém possa ver os resultados e dizer "parece que houve 63 estalos nos últimos seis meses, talvez devêssemos pensar em fazer algo para reduzir a carga". Eu não' acho que realmente existe, com a expectativa de gravar 100 snapping em um dia, resultando no fechamento instantâneo da ponte. (A Forth Road Bridge fecha devido ao vento forte algumas vezes por ano - eles têm um sistema adequado para fechá-la).

Terceiro: o relatório oficial sobre o colapso sugere que o fracasso foi muito repentino: houve talvez 10 segundos de aviso. Mesmo com o monitoramento em tempo real, você precisa: a) receber resultados; b) determinar que eles são catastroficamente ruins (fácil se você tiver os 100 pings no meu exemplo adiante; difícil se você tiver acelerômetros conforme o link, o que pode estar lhe dizendo que a ponte se moveu 0,05 graus) ec) leva a polícia para fechar a ponte. Estimativa do tempo total: 10 minutos, se você tiver muita sorte. Não 10 segundos. (E provavelmente mais de três meses se você configurar o monitoramento para efeitos a longo prazo e não tiver certeza se os 0,05 graus são significativos ou não, porque o sistema não foi configurado para isso.)

Isenção de responsabilidade - tentei colocar fatos e referências sempre que possível, mas as conclusões reais a que chegamos são fortemente baseadas em minhas opiniões e não são fatos diretos.