Curso de Especialização em Engenharia Ferroviária - Módulo 8 - Infraestrutura ferroviária

Instrumentação e Monitoração de Estruturas e Fundações

Prof. Remo Magalhães de Souza, Eng. Civil, M.Sc., Ph.D.

Principais tipos de sensores utilizados na instrumentação e monitoração de estruturas e fundações

  1. Extensômetros – também denominados extensômetros elétricos de resistência, ou simplesmente sensores de deformação (strain gage), são utilizados para medição de deformações (alongamento ou encurtamentos relativos).
  2. Transdutores de deslocamento – para medição de deslocamentos (movimentos translacionais).
  3. Acelerômetros – para medição de vibrações (movimentos com mudança de aceleração, velocidade e deslocamento).
  4. Sensores de temperatura – para medição da temperatura.
  5. Células de carga – para medição de forças aplicadas.

1. Extensômetros elétricos de resistência para medição de deformações em estruturas e fundações

1.1 Princípio de funcionamento

1. Extensômetros elétricos de resistência para medição de deformações em estruturas e fundações

1. Princípio de funcionamento

  • Extensômetro elétrico de resistência – o funcionamento de um strain gage (extensômetro) baseia-se na propriedade física de que a resistência elétrica de um fio condutor muda quando ele é deformado.
    • O sensor, composto por uma grade metálica muito fina colada à superfície de um material, acompanha exatamente a deformação desse material:
      • quando ocorre alongamento, o condutor fica mais comprido e mais estreito, aumentando sua resistência;
      • quando ocorre compressão, o efeito é inverso.
    • Essa variação relativa de resistência é linearmente proporcional à deformação mecânica.
  • Resistência elétrica - pode-se interpretar um strain gage como um resistor variável cuja resistência muda em resposta à deformação. A relação entre a variação de resistência e a deformação é expressa pelo fator de sensibilidade do sensor, que é uma constante específica do material e da geometria do strain gage.
  • Valor típico de resistência elétrica - os strain gages mais comuns disponíveis comercialmente têm resistências típicas de 120Ω ou 350Ω.
Extensômetro elétrico de resistência (strain gage) marca HBM instalado.

Extensômetro elétrico de resistência (strain gage) marca HBM instalado.

1.2 Ponte de Wheatstone

1. Extensômetros elétricos de resistência para medição de deformações em estruturas e fundações

2. Ponte de Wheatstone

  • Ponte de Wheatstone - é um circuito elétrico utilizado para medir variações muito pequenas de resistência com elevada precisão.
    • Ela é composta por quatro resistores dispostos em forma de quadrilátero, formando dois ramos que são comparados entre si.
    • Quando a ponte está balanceada, a razão entre os resistores de um ramo é igual à razão do outro R1/R2 = R3/R4, resultando em diferença de potencial nula no ponto de medição.
    • Qualquer alteração em um dos resistores – como a variação causada por um strain gage – causa um desequilíbrio, produzindo uma tensão mensurável que permite determinar a mudança de resistência e, consequentemente, a deformação associada.
  • Amplificação do sinal - devido à natureza da variação de resistência em um strain gage ser muito pequena, o sinal elétrico gerado é igualmente pequeno e precisa ser amplificado para ser útil.
    • Para isso, os sensores são geralmente conectados em uma configuração de ponte de Wheatstone, que permite medir a variação de resistência com alta precisão e sensibilidade.
    • A ponte é composta por quatro resistores, onde um ou mais são os strain gages instalados na estrutura.
    • Quando a estrutura se deforma, a resistência dos strain gages muda, desequilibrando a ponte e gerando um sinal elétrico proporcional à deformação.
Circuito em Ponte de Wheatstone

Circuito em Ponte de Wheatstone

1.3 Instalação dos sensores

1. Extensômetros elétricos de resistência para medição de deformações em estruturas e fundações

3. Instalação dos sensores

  • Etapas de instalação de um sensor em armadura de aço - a instalação de um extensômetro elétrico de resistência em uma barra de aço para medição de deformações envolve várias etapas
  1. Determinação da posição da barra de aço a ser instrumentada com pacômetro
  2. Remoção da camada de cobrimento de concreto com talhadeira ou martelete elétrico
  3. Lixamento da armadura para remoção das mossas, com lixadeira elétrica (retífica)
  4. Limpeza da armadura com álcool isopropílico
  5. Fixação do extensômetro elétrico de resistência, com adesivo a base de éster de cianoacrilato (super bonder)
  6. Soldagem dos cabos (cabo tipo manga, 2x26, AWG, blindados), com ligação a três fios
  7. Isolamento elétrico da fiação com fita isolante
  8. Proteção mecânica com adesivo a base de resina epóxi e poliamida (Araldite 10min)
  9. Verificação do funcionamento do extensômetro com multímetro e sistema de aquisição de dados
  10. Fechamento da abertura com utilização de graute;
Armadura de aço exposta em um pilar para instalação de extensômetros

Armadura de aço exposta em um pilar para instalação de extensômetros

3. Acelerômetros piezoelétricos para medição de vibrações em estruturas

3.1 Princípio de funcionamento

3. Acelerômetros piezoelétricos para medição de vibrações em estruturas

1. Princípio de funcionamento

  • Efeito piezoelétrico – o funcionamento de um acelerômetro deste tipo baseia-se no seguinte efeito: certos materiais cristalinos (quartzo, cerâmica PZT) geram uma carga elétrica proporcional à força mecânica aplicada.
    • No interior do sensor, uma massa sísmica está acoplada ao elemento piezoelétrico.
    • Quando o sensor é submetido a uma aceleração, a força de inércia F = m ⋅ a comprime ou traciona o cristal, gerando uma carga elétrica proporcional à aceleração.
    • A carga gerada é convertida em tensão por um amplificador interno ou externo.
  • Sensibilidade – expressa em mV/g (milivolts por g, onde g = 9.81 m/s2), é a constante que relaciona a saída elétrica do sensor à aceleração medida.
  • Faixa de frequência – os acelerômetros piezoelétricos tem faixa de frequência de 0,1 Hz a vários kHz, tornando-os adequados para monitoração de vibrações em pontes ferroviárias, edificações e fundações.
Acelerômetro piezoelétrico uniaxial marca Wilcoxon, modelo 793L.

Acelerômetro piezoelétrico uniaxial marca Wilcoxon, modelo 793L.

3.2 Instalação dos sensores

3. Acelerômetros piezoelétricos para medição de vibrações em estruturas

2. Instalação dos sensores

  • Métodos de fixação – alguns métodos comuns para fixar os acelerômetros à estrutura incluem:
    1. Parafuso roscado – fixação definitiva e de maior rigidez; preserva a faixa de frequência completa do sensor; requer superfície usinada ou plaqueta colada;
    2. Base magnética – conveniente para medições temporárias em estruturas metálicas; limita a faixa de frequência utilizável;
    3. Cera de abelha (beeswax) – usada para fixação rápida em laboratório ou campanhas de campo de curta duração;
  • Direção de medição – posicionar o eixo sensível na direção de maior interesse (vertical, transversal ou longitudinal)
  • Arranjo triaxial – sensores em arranjo triaxial medem as acelerações nas três direções (x, y, z) simultaneamente;
  • Passagem e proteção de cabos – usar cabo coaxial blindado; evitar laços e fixar o cabo à estrutura a cada 30–50 cm para não introduzir ruído por vibração do próprio cabo (cable noise);
  • Proteção ambiental – proteger o sensor com capa de borracha ou invólucro estanque em ambientes sujeitos a chuva, umidade ou poeira.
acelerômetro piezoelétrico em arranjo uniaxial

acelerômetro piezoelétrico em arranjo uniaxial