CASOS DE USO
Monitoramento de pontes com sensores a laser: deflexão, deformação e deslocamento.

O Monitoramento de pontes com sensores de distância a laser Permite a medição contínua e sem contato de mudanças de posição, deflexão, deformação e deslocamentos relativos em tábuas, estacas, suportes, pilares e outros elementos estruturais.

Em aplicações de inspeção de ponte, Para testes de carga ou monitoramento durante obras de reabilitação, um sensor a laser pode ser instalado em um ponto de referência estável e medir repetidamente a distância até um ponto na estrutura. A evolução dessa distância permite a detecção de movimentos na ordem de milímetros e a análise de como a ponte responde a cargas, tráfego, operações de montagem, variações térmicas ou trabalhos de construção.

A medição é conceitualmente simples, mas sua interpretação correta requer o estudo da geometria da instalação. Um sensor a laser mede diretamente uma distância; Converter essa distância em uma seta vertical, deslocamento horizontal ou deformação estrutural requer o conhecimento da posição do sensor, do alvo e das possíveis direções do movimento.

Este aplicativo faz parte do nosso guia sobre Monitoramento de estruturas, pontes, túneis e taludes com sensores a laser..

O que pode ser medido em uma ponte com um sensor a laser?

UM sensor de distância a laser Mede a distância entre o instrumento e o ponto ou alvo para o qual o feixe é direcionado. Dependendo do projeto da instalação, essa medição pode ser usada para monitorar diferentes fenômenos estruturais.

• Seta ou deflexão do painel de instrumentos: Deslocamento vertical de um ou mais pontos da plataforma quando cargas, tráfego ou veículos utilizados durante um teste de carga estão atuando.
• Deslocamento da pilha: Controle de movimentos em relação a uma referência considerada estável.
• Movimento de apoio: Monitoramento das mudanças relativas entre os elementos da estrutura.
• Deslocamento entre o poste e a placa: Medição a longa distância das variações geométricas entre diferentes partes da ponte.
• Deformação de estruturas metálicas: Rastreamento multiponto durante o transporte, elevação, montagem ou posicionamento.
• Comportamento durante a reabilitação: Detecção de movimentos durante o corte, desmontagem ou modificação de elementos de uma estrutura existente.
• Resposta às cargas: Registro de curvas de deslocamento durante testes de carga estática ou dinâmica.

Um único sensor fornece um distância escalar. Portanto, não mede diretamente a tensão mecânica, a capacidade de carga ou o deslocamento tridimensional completo. Quando é necessário conhecer vários componentes do movimento, podem ser utilizados diversos sensores, outras direções de medição ou instrumentos complementares.

Medição da deflexão de uma ponte com sensores a laser

O seta de uma ponte Esta é uma das aplicações mais interessantes da medição a laser sem contato. O objetivo é observar o quanto um ponto na placa se desloca verticalmente em relação a um ponto de referência durante a aplicação de uma carga ou ao longo do tempo.

Medida vertical aproximada

A configuração mais simples envolve instalar o sensor em um ponto de referência estável localizado abaixo da estrutura e direcionar o feixe em direção ao ponto na placa cuja seta deve ser medida.

Se a direção do laser praticamente coincidir com a direção do movimento, a variação da distância medida pode ser diretamente relacionada ao deslocamento da placa.

Essa configuração pode ser particularmente interessante em teste de carga da ponte, Porque permite que a medição seja feita sem a necessidade de conectar fisicamente um transdutor à placa.

Medição usando uma linha de visão oblíqua

Nem sempre é possível posicionar o sensor diretamente sob o ponto de interesse. Em muitas estruturas, o acesso, o tráfego, um curso d'água, uma linha férrea ou a própria geometria da ponte exigem que as medições sejam feitas a partir de uma linha de visão inclinada.

Em um esquema simplificado, se x representa a separação horizontal, z a separação vertical e L a distância medida pelo sensor:

L² = x² + z²

Se apenas a componente vertical se altera e a componente horizontal permanece constante, para pequenos deslocamentos ela pode ser aproximada da seguinte forma:

Δz ≈ ΔL / sen θ

onde θ É o ângulo da linha de visão em relação à horizontal.

Essa geometria é importante: uma linha de visão quase horizontal tem pouca sensibilidade ao movimento vertical. Além disso, se o ponto de medição e o ponto de referência se movem simultaneamente, uma única distância é insuficiente para separar os dois componentes.

Portanto, antes de selecionar o sensor, ele deve ser definido. Que movimento deve ser medido, em que direção ocorre e que elementos podem ser deslocados?.

Teste de carga em pontes: uma alternativa sem contato ao LVDT

O teste de carga da ponte Elas permitem a comparação do comportamento real da estrutura com o previsto pelo modelo de cálculo. Uma das grandezas que podem ser registradas é a deflexão produzida quando cargas conhecidas são movidas ou posicionadas sobre o tabuleiro.

Transdutores de deslocamento, como os LVDTs, podem ser tradicionalmente instalados em estruturas, tripés, andaimes ou pontos de referência localizados sob a ponte. Em certos locais, essa instalação pode ser complexa, especialmente sobre linhas férreas, rodovias, hidrovias ou áreas de difícil acesso.

Uma solução alternativa é usar sensores de distância a laser instalados a partir de uma referência localizada fora da estrutura.

Caso documentado: teste de carga em uma linha férrea

Em um teste realizado em colaboração com a engenharia AECOM Em uma ponte localizada sobre linhas ferroviárias suburbanas na Nova Inglaterra, quatro sensores a laser da Dimetix foram usados para medir a deflexão em diferentes pontos do tabuleiro.

A estrutura apresentava sinais de deterioração e seu limite de carga havia sido previamente reduzido. O objetivo do teste era determinar seu comportamento real e compará-lo com o modelo estrutural.

Para evitar a instalação convencional de LVDTs em tripés e estruturas auxiliares, foram utilizados os seguintes métodos: quatro sensores Dimetrix DAN-10-150. Cada sensor foi instalado em um suporte independente fixado ao lastro sob a ponte e orientado para um ponto específico da estrutura.

Os sensores foram conectados a módulos de interface e ao sistema de aquisição utilizado durante o teste. Os quatro sinais de deflexão foram registrados em tempo real enquanto diferentes passagens eram realizadas com veículos carregados.

As cargas foram aumentadas progressivamente e as curvas de deflexão correspondentes foram registradas. As medições mostraram um comportamento repetível e as deflexões retornaram à sua posição inicial após a remoção da carga.

Os resultados de deslocamento e deformação obtidos durante o ensaio foram consistentes com o modelo previsto pela AECOM. O ensaio permitiu uma reavaliação do comportamento da estrutura e um consequente aumento da sua capacidade de carga.

Este exemplo demonstra uma importante vantagem da medição óptica: A instrumentação pode ser localizada fora do elemento estrutural que está sendo testado., reduzindo a necessidade de instalar sensores de contato diretamente no painel.

Caso real 1: monitoramento da ponte Huey P. Long durante o içamento

Um dos projetos de monitoramento de pontes mais representativos, utilizando sensores Dimetix, foi realizado durante a expansão da ponte. Ponte Huey P. Long sobre o rio Mississippi, em Nova Orleans..

O projeto incluiu duas enormes seções de treliça de aço, inicialmente construídas em terra firme. Cada seção tinha aproximadamente Com 528 pés de comprimento, cerca de 161 metros, e um peso próximo de 2.700 toneladas..

As estruturas foram transportadas em barcaças até a ponte e posteriormente içadas aproximadamente 130 pés, cerca de 40 metros, até sua posição final.

O problema: controlar a deformação durante uma manobra crítica.

Durante o transporte, içamento e posicionamento, havia o risco de uma estrutura com essas dimensões sofrer deformações fora do plano, tensões excessivas ou mesmo fenômenos de flambagem.

A equipe de engenharia responsável precisava saber em tempo real como a geometria das estruturas estava mudando para poder agir durante a manobra.

Dez sensores a laser funcionando simultaneamente

Um total de 10 sensores de distância a laser Dimetix, cinco instalados em cada grade.. Os equipamentos históricos utilizados neste projeto pertenciam à geração anterior do DLS-C.

Cada conjunto de cinco sensores permitia monitorar diferentes pontos e observar deformações fora do plano da estrutura.

Os sensores foram conectados por cabo a um registrador de dados. As informações foram enviadas para um computador localizado sob o convés, onde os gerentes do projeto puderam visualizar graficamente a inclinação e a deformação das estruturas.

O sistema atualizou as informações aproximadamente a cada cinco segundos.

Correções durante o próprio processo de elevação

As informações não foram usadas apenas para fins de registro posterior. Os engenheiros podiam observar a evolução da estrutura durante a operação e fazer ajustes. correções instantâneas na posição da rede sem interromper o processo.

O monitoramento também continuou durante o deslocamento lateral final das estruturas até sua posição sobre os suportes, uma fase considerada igualmente crítica.

Conclusão técnica: Este caso demonstra por que, em grandes estruturas, o monitoramento simultâneo de múltiplos pontos pode ser mais útil do que a medição de uma única distância. A comparação entre múltiplos sensores permite a observação de alterações geométricas que um único ponto de medição não conseguiria identificar.

Caso real 2: monitoramento da rodovia A23 em Viena durante sua reconstrução.

Outro exemplo de aplicação é o Autoestrada A23 de Viena, uma infraestrutura com alta intensidade de tráfego.

O projeto afetou duas pontes pertencentes a um trecho originalmente construído por volta de 1970. Durante a remodelação da A23, as estruturas existentes tiveram que ser desmontadas e reconstruídas.

A documentação do projeto indica uma intensidade aproximada de 180.000 veículos por dia.

Controlar os movimentos durante o trabalho

Uma das preocupações durante a intervenção foi a possibilidade de os elementos ou suportes verticais sofrerem deslocamentos devido às modificações feitas na estrutura.

Eles foram instalados Sensores a laser Dimetix orientados para alvos de medição para controlar a estabilidade à medida que as fases de construção progrediam.

Durante operações particularmente críticas, como o corte de partes da estrutura existente, as distâncias podem ser registradas continuamente para identificar movimentos ou alterações geométricas desde os seus estágios iniciais.

Uma aplicação particularmente interessante para a reabilitação de pontes.

Em trabalhos de reabilitação, pode ser muito difícil prever exatamente como uma estrutura existente irá reagir quando pavimentos, elementos de suporte de carga, suportes temporários ou partes do tabuleiro forem removidos.

O monitoramento nos permite relacionar as mudanças observadas a momentos específicos da construção:

• corte ou demolição de elementos;
• remoção de material;
• entrada de máquinas pesadas;
• mudanças de suporte;
• apertado ou afrouxado;
• Colocação de novos elementos;
• variações térmicas;
• alterações no tráfego ou na carga.

Por essa razão, em um monitoramento durante a construção Simplesmente armazenar uma série de distâncias não é suficiente. É aconselhável também registrar a data e a hora de eventos importantes da construção para, posteriormente, relacioná-los à evolução estrutural.

Caso real 3: Mais de 100 metros entre um pilar e o tabuleiro de uma ponte na Tailândia.

A capacidade de operar a longas distâncias permite o uso de sensores a laser em geometrias que seriam difíceis de instrumentar usando transdutores de contato.

Em uma ponte sobre o Rio Chao Phraya, na Tailândia, Um sensor Dimetix foi instalado no topo de um poste e orientado em direção a um folha refletora localizada aproximadamente no centro da ponte.

A separação entre os pilares era de aproximadamente 200 metros e a distância medida pelo sensor foi excedida 100 metros.

Medição com precisão milimétrica em longas distâncias

O aplicativo documenta uma precisão de medição de ±1 mm e uma repetibilidade de ±0,3 mm.

Nesse tipo de instalação, o uso de uma folha refletora permite um aumento significativo na distância útil e proporciona um alvo óptico claramente definido.

Mas há outro parâmetro que deve ser considerado: O tamanho do ponto do laser aumenta com a distância..

Nos sensores Dimetix desta família, o ponto declarado a 100 metros é de aproximadamente 55 × 30 mm. O refletor deve ser dimensionado levando em consideração não apenas o tamanho do feixe, mas também:

• o movimento esperado do conselho;
• o possível movimento transversal;
• tolerâncias de alinhamento;
• a expansão térmica da estrutura;
• vibrações;
• os movimentos do próprio poste;
• a margem necessária para não falhar o alvo.

Medir distância não significa medir diretamente a seta vertical.

Este exemplo é especialmente útil para compreender a geometria de um sistema de monitoramento.

O sensor mede o distância relativa entre o poste e o ponto no tabuleiro. Se ambos os elementos puderem se mover e a visão for oblíqua, qualquer variação registrada poderá conter componentes diferentes do movimento.

Portanto, a interpretação dos dados deve ser realizada de acordo com o modelo geométrico da ponte. Caso seja necessário separar diferentes componentes, sensores adicionais ou outras técnicas de instrumentação podem ser requeridos.

Qual sensor Dimetix pode ser usado atualmente?

Projetos existentes podem utilizar modelos Dimetix de gerações anteriores. Para novas instalações, o sensor atual deve ser selecionado com base na distância, alvo, velocidade, precisão necessária, comunicação e condições ambientais.

Para aplicações de longo alcance, um dos modelos que podem ser considerados é o Dimetrix DPE-10-500.

A frequência de saída e a frequência de medição são conceitos diferentes: ter uma saída de até 1 kHz não significa obter 1.000 novas medições independentes por segundo. A frequência máxima de medição declarada do DPE-10-500 é de 250 Hz.

Para distâncias mais curtas ou projetos com outros requisitos econômicos e técnicos, existem versões diferentes dentro do gama de sensores de distância a laser.

Como projetar uma instalação de monitoramento a laser em uma ponte

1. Defina exatamente o que você deseja medir.

Antes de selecionar um sensor, é necessário definir a grandeza a ser monitorada:

• seta vertical;
• movimento longitudinal;
• movimento transversal;
• deslocamento da pilha;
• movimento relativo entre dois elementos;
• deformação durante uma manobra;
• resposta durante um teste de carga.

2. Escolha uma referência estável.

Um sensor mede a distância entre dois pontos. Se o suporte do sensor for movido, o sistema pode interpretar esse movimento como pertencente à ponte.

A estabilidade da referência é, portanto, tão importante quanto a precisão do próprio sensor.

3. Analise a geometria

A direção do feixe deve ser compatível com a componente do movimento que se pretende observar.

Uma vista vertical pode simplificar a medição da deflexão. Uma vista oblíqua pode ser perfeitamente válida, mas requer uma transformação geométrica e o conhecimento de quais outros componentes podem variar.

4. Selecione uma superfície natural ou um refletor.

A distâncias moderadas, pode ser possível realizar medições diretamente em uma superfície natural adequada. Quando a distância aumenta ou quando é necessário um alvo claramente definido, pode ser aconselhável instalar uma película refletora compatível.

O tamanho do alvo deve incluir margem suficiente para o diâmetro do feixe e os movimentos previstos.

5. Projete os suportes corretamente.

Os suportes devem ser minimizados:

• vibrações;
• movimentos próprios;
• expansão térmica descontrolada;
• mudanças de orientação;
• desalinhamentos acidentais.

6. Proteger o percurso óptico

Ao ar livre, é preciso levar em consideração chuva, neblina, poeira, neve, condensação, radiação solar e sujeira.

A classificação IP do sensor protege o equipamento, mas não garante por si só que o mesmo não esteja em uso. caminho óptico permanecer sempre disponível.

Caso o sensor seja colocado atrás de uma janela de proteção, o material, a inclinação, os reflexos e a possível sujidade também devem ser avaliados.

7. Registre também a qualidade da medição.

O monitoramento estrutural não deve se limitar a armazenar apenas a distância. Quando a arquitetura do sistema permitir, é recomendável registrar:

• valor medido;
• data e hora;
• status de leitura válido ou inválido;
• eventos de comunicação;
• intensidade ou qualidade do sinal disponível;
• temperatura;
• eventos relevantes de construção ou carregamento.

8. Estabelecer uma linha de base

Antes de interpretar os movimentos, o comportamento inicial do sistema deve ser registrado e sua repetibilidade verificada.

Um teste funcional com deslocamentos conhecidos ajuda a verificar a relação entre a leitura do sensor e o movimento real esperado.

Sensor a laser versus LVDT, estação total, GNSS e inclinômetro

Não existe um único instrumento adequado para todas as aplicações de ausculta. Diferentes tecnologias podem ser complementares.

Em um sistema de Monitoramento da Saúde Estrutural (SHM) Diversas tecnologias podem ser combinadas. Por exemplo, um sensor a laser pode monitorar o deslocamento, um inclinômetro pode registrar rotações e sensores de temperatura podem ajudar a interpretar movimentos baseados na temperatura.

Vantagens dos sensores a laser para inspeção de pontes

• Medição sem contato: Não é necessário fixar mecanicamente o sensor ao ponto móvel.
• Grande distância de trabalho: Alguns modelos permitem trabalhar a dezenas ou centenas de metros de distância.
• Precisão milimétrica: Adequado para diversas aplicações de deslocamento estrutural.
• Alta frequência de aquisição: Permite o estudo de fenômenos mais rapidamente do que com sistemas de leitura manual.
• Integração industrial: Disponibilidade de interfaces seriais, analógicas e de rede industrial, dependendo do modelo.
• Instalação remota: O sensor pode ser colocado fora de áreas de difícil acesso.
• Monitoramento permanente ou temporário: Pode ser utilizado tanto durante um teste quanto em instalações de monitoramento contínuo.
• Medição multiponto: Vários sensores podem monitorar simultaneamente diferentes posições de uma estrutura.

Limitações que devem ser consideradas

O sensor a laser não elimina a necessidade de projetar adequadamente o sistema de ausculta.

• É necessário manter uma linha de visão adequada.
• A estabilidade do suporte faz parte da incerteza geral.
• A superfície do alvo influencia o alcance.
• Chuva, neblina, sujeira ou condensação podem afetar a disponibilidade da medição.
• Uma vista oblíqua requer interpretação geométrica.
• A precisão indicada na ficha técnica do sensor não equivale automaticamente à incerteza de toda a instalação.
• Os movimentos térmicos da estrutura devem ser diferenciados de outros deslocamentos, quando relevantes.

Perguntas frequentes sobre monitoramento de pontes com sensores a laser

Um sensor a laser pode medir diretamente a deflexão de uma ponte?

Sim, desde que a geometria da instalação permita relacionar a variação da distância ao deslocamento vertical do ponto observado. Uma instalação aproximadamente vertical simplifica essa relação. Em uma vista oblíqua, a geometria correspondente deve ser aplicada.

É possível usar um sensor a laser em um teste de carga?

Sim. Existem aplicações documentadas em que sensores Dimetix registraram em tempo real a deflexão de diferentes pontos do tabuleiro enquanto cargas conhecidas eram aplicadas à ponte.

Pode substituir um LVDT?

Em certas aplicações, a instalação de um LVDT pode ser evitada, especialmente quando se deseja uma medição sem contato ou quando é difícil posicionar uma referência mecânica próxima ao ponto de medição. Essas tecnologias não são equivalentes em todos os casos, e a escolha deve ser feita de acordo com a geometria, a distância de deslocamento, a precisão e a dinâmica do teste.

Que distância pode ser medida?

Depende do modelo e da superfície. Por exemplo, o Dimetix DPE-10-500 tem um alcance estimado de aproximadamente 100 metros em superfícies naturais e até 500 metros com o uso de película refletora em condições adequadas.

É possível medir uma ponte a uma distância superior a 100 metros?

Sim. Existe uma aplicação documentada na Tailândia onde o sensor funciona a uma distância de mais de 100 metros entre um poste e um refletor instalado no painel de instrumentos.

É necessário um folheto refletor?

Nem sempre. Em distâncias mais curtas, pode ser possível medir diretamente na superfície da estrutura. Para longas distâncias, superfícies problemáticas ou quando for necessário um ponto de referência óptico bem definido, o uso de um refletor pode ser aconselhável.

Uma precisão de ±1 mm significa que toda a instalação tem uma incerteza de ±1 mm?

Não. A incerteza total também depende da montagem, da estabilidade da referência, da geometria, do alvo, do ambiente, da aquisição e do processamento dos dados. A precisão do sensor é apenas uma parte do sistema de medição.

Pode ser instalado permanentemente ao ar livre?

Modelos adequados podem ser usados em aplicações externas, mas a proteção do conjunto e do percurso óptico contra água, condensação, poeira, sujeira e outros fatores ambientais deve ser estudada.

Pode ser usado para monitorar baterias e dispositivos de suporte durante a reabilitação?

Sim. O monitoramento das distâncias entre referências predefinidas permite a detecção de deslocamentos relativos durante demolição, corte, reconstrução, alterações de suporte ou outras operações.

Um único sensor consegue determinar o movimento nos eixos X, Y e Z?

Não. Um sensor a laser fornece uma medição de distância na direção do seu feixe. Para separar diferentes componentes do movimento, é necessária uma geometria com múltiplas observações, múltiplos sensores ou instrumentação adicional.

Selecionando a solução para cada ponte.

A escolha do sensor deve ser baseada na aplicação e não apenas na distância máxima indicada no catálogo.

Para estudar uma instalação, precisamos saber, no mínimo:

• distância aproximada entre o sensor e o alvo;
• movimento máximo esperado;
• direção do deslocamento;
• É necessária precisão;
• Frequência de medição necessária;
• tipo de superfície ou alvo disponível;
• condições ambientais;
• possibilidades de montagem;
• Tipo de gravador, PLC ou sistema de aquisição;
• interfaces de comunicação necessárias.

Um esboço simples indicando o ponto onde o sensor pode ser instalado, o objetivo e a direção pretendida do movimento geralmente é suficiente para realizar uma avaliação inicial de viabilidade.

Fontes técnicas dos casos descritos

Os exemplos práticos incluídos nesta página foram compilados a partir de documentação técnica publicada sobre instalações reais:

• Exemplo de aplicação Dimetix AE-0510: Monitoramento estrutural durante o transporte, içamento e posicionamento das treliças da ponte Huey P. Long.
• Exemplo de aplicação Dimetix AE-0703: Monitoramento das pontes da autoestrada A23 durante as obras de reconstrução em Viena.
• Exemplo de aplicação Dimetix AE-0704: Monitoramento a mais de 100 metros entre o pilar e o tabuleiro de uma ponte sobre o rio Chao Phraya, na Tailândia.
• Aplicação documentada pela Laser-View Technologies em conjunto com a AECOM: Medição da deflexão durante um teste de carga usando quatro sensores Dimetix DAN-10-150.

Os modelos utilizados em projetos históricos podem corresponder a gerações anteriores. A seleção para uma instalação atual deve ser feita com base nas especificações atuais do modelo disponível.

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