Telemedida de vibrações em estruturas e em galerias subterrânea - Reis, João Roupiço Simões Pena dos (2010)
A actividade de construção de edificações de grandes dimensões e galerias subterrâneas incluem a implementação de processos e técnicas de que resulta a produção de vibrações. O efeito destas vibrações nas próprias estruturas em construção, ou nas que se encontrem nas imediações, não é de modo nenhum desprezável [1], existindo, quer a nível nacional, quer em muitos outros países, legislação que introduz regulamentação na matéria. A Norma Portuguesa NP 2074 (1983 [2]) rios processos associados à construção de estruturas, edificações ou galerias subterrâneas, como a cravação de estacas ou o desmonte por meio de explosivos, como sendo susceptíveis de provocar danos nas próprias construções ou galerias, e edificações próximas. Torna-se assim evidente a utilidade da existência de sistemas de monitorização de vibrações que, no registo directo de eventos específicos à actividade de construção – explosões e/ou acravamento de estacas – permitam aferir, no local e em estruturas próximas, as consequentes vibrações descritas em termos de velocidade e de frequências. Estas grandezas são as referidas na NP 2074 e em legislação internacional como as apropriadas para a caracterização da vibração, independentemente do tipo de transdutor ou transdutores utilizados no sistema de monitorização. Um sistema de monitorização de vibrações em estruturas edificadas ou em galerias subterrâneas – minas e túneis – tem a sua acção condicionada, por razões de operacionalidade e eficiência, desde logo em consequência dos dois cenários de exploração previstos. Esses cenários são a monitorização de vibrações em estruturas e edificações que se encontrem: a) nas proximidades de um foco de vibrações situado em galerias subterrâneas, como a construção ou expansão de linhas de metropolitano, ou extracção de minério, com recurso a explosões. Neste cenário, sugere-se igualmente interesse na 7 possível monitorização de vibração, como efeito das explosões em galerias já existentes, consolidadas ou não; b) nas proximidades de um foco de vibrações situado em locais de construção à superfície (associado ao acravamento de estacas, utilização de martelos pneumáticos e outras máquinas). Estes dois cenários implicam, necessariamente, a definição de modos de monitorização diferentes: i) de natureza temporária – para o primeiro cenário, que prevê uma abordagem de análise de vibrações com carácter de fiscalização, com operação do sistema num período de tempo reduzido; ii) de natureza permanente – para o segundo cenário, com instalação e operação permanentes, para monitorização de todos os eventos geradores de vibrações. Conceptualmente, uma instalação permanente tem, à partida, custos acrescidos na instalação, com um aumento do número de horas de trabalho. Um sistema de monitorização permanente inclui um conjunto de sensores, que poderiam estar ligados entre si e a uma unidade concentradora, enquanto membros de uma rede cablada e em funcionamento ao longo de muitos meses, possivelmente anos – idealmente, durante toda a duração da actividade de laboração. A unidade concentradora pode disponibilizar, no local, ou remotamente através de um pc ou portátil, o acesso aos dados a responsáveis pela análise das vibrações. Uma instalação temporária normalmente implicará a utilização de um sistema portátil, para permitir ao técnico responsável pelas medições a instalação rápida de um sistema de monitorização, a aquisição de dados e, possivelmente a análise dos dados, e a desinstalação rápida de todo o sistema. A portabilidade, para um sistema de monitorização de dados, acarreta importantes condicionantes à sua realização física. Em particular, os sensores, assim como todos os outros componentes do sistema de monitorização, incluindo a unidade concentradora, têm que ser de tamanho e peso reduzido, para garantir a portabilidade e facilitar a instalação e desinstalação. 8 O modo de comunicação entre as unidades será então preferencialmente wireless, com operação na banda de frequências dos 433MHz ou dos 2,4 GHz, facilitando a instalação das componentes no cenário alvo, nomeadamente os sensores, permitindo a conexão rápida e simples entre todas as unidades (plug and play). Os sensores incluirão um transdutor/acelerómetro triaxial de tecnologia MEMS para medição de vibrações. Na ausência de alimentação por cabo, isto é, no caso de sensores Wireless, necessitarão de uma bateria, o que implica que sejam de baixo consumo, de modo a garantir um ratio consumo/capacidade da bateria de acordo com os requisitos do serviço de medição de vibrações. O sistema deve, ainda, permitir a análise dos dados e a configuração dos vários componentes, a partir da rede/Web, (por um especialista não presente no sítio de medição, que tenha a responsabilidade de análise e comparação dos dados provenientes de diferentes obras em paralelo, ou que esteja a acumular informação para controlo de qualidade, ou, noutro cenário, pelo próprio especialista no local, através de um computador portátil e acesso à Internet) através da unidade concentradora. Esta capacidade de intervenção e análise dos dados não deve ser minimizada pela localização do especialista, havendo assim possibilidade de realizar, efectivamente, uma tele-medida da vibração. São estas as condicionantes e requisitos consequentes da definição de objectivos de operação do sistema de monitorização referido. De modo resumido, o sistema deve providenciar uma medida, a concentração e o arquivamento da informação pretendida, e finalmente, a obtenção da informação à distância. Incluirá também a concepção e realização de uma rede de sensores sem fios, de colocação o mais simples possível e em múltiplos locais, com baixo peso e dimensão e baixo consumo, recorrendo para isso a sensores miniaturizados de tecnologia MEMS – Microelectromechanical Systems – e “inteligentes”, ou seja, que compreendam toda a cadeira de aquisição e tratamento de dados, com consequente libertação de capacidade de processamento na unidade concentradora, e capacidade de auto-instalação. 9 O desenvolvimento destes módulos “locais” e a sua integração numa rede de Sensores com os objectivos definidos corresponde a uma primeira finalidade um projecto global, que se enquadra, por si só, numa outra tese de Mestrado. A unidade concentradora a desenvolver deverá servir igualmente de unidade gateway de comunicação, membro em simultâneo da rede de sensores e nó de acesso à Internet, dando suporte a Web Services que permitam a gestão remota do conjunto de sensores. Esta componente do Sistema – módulo – é constituída, assim, também por um servidor alojado num computador, de característica cliente-servidor, permitindo não só o acesso de thin-clients à informação gerada pela rede de sensores, mas conferindo-lhe, igualmente, um potencial de parametrização e reconfiguração do sistema através da Internet, constituindo-se, assim, como primeira interface entre utilizadores e as várias componentes do sistema. O desenvolvimento deste grupo secundário de componentes do sistema corresponde assim ao objectivo deste trabalho permitindo aprender e explorar tecnologias relacionadas com a Internet. O trabalho desenvolvido ao longo deste último ano, no âmbito deste projecto de mestrado, foi fundamentalmente “sediado” no Laboratório de Automação e Instrumentação Industrial (LAII) e em coordenação e cooperação com a empresa Eneida, através de contactos e ajudas preciosas dos seus colaboradores, bem como pela utilização de recursos.