Desenvolvimento de um dispositivo para monitoramento dinâmico de estruturas

Abstract

No âmbito das construções civis, a diminuição da capacidade portante juntamente com incertezas relacionadas ao estado de integridade pode ocasionar, em casos extremos, a inviabilidade da utilização das mesmas ou até mesmo o colapso. Consequentemente, evidenciase a possibilidade de danos à manutenção da vida, perdas financeiras, econômicas, ambientais ou uma combinação entre todos. Como forma de combater tais empecilhos, o Monitoramento da Integridade Estrutural (MIE) emerge como uma prática de grande relevância. O monitoramento de uma estrutura possibilita estabelecer políticas mais eficientes de atuação tanto em âmbito emergencial quanto de manutenção preventiva, reduzindo, assim, custos e tempo de reparo. Em contrapartida, a implantação do MIE encontra alguns desafios na sua difusão. Dentre eles, destacam-se os altos custos relacionados a implantação e manutenção do sistema. Com o intuito de tornar a utilização do MIE mais atrativa, necessita-se desenvolver dispositivos que empreguem tecnologias atuais, compactas, de baixo custo e fácil instalação. Tomando como enfoque a detecção de danos baseada em vibração, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver, programar e implementar um dispositivo de baixo custo baseado em acelerômetro MEMS a ser aplicado como ferramenta no monitoramento de integridade estrutural. A instrumentação sugerida caracterizou-se por ser um sistema de aquisição de dados composto por três unidades de medição simultânea. Cada uma delas possuía um sensor MPU 6500 gerenciado por um microprocessador ESP 32. A aquisição e interpretação dos dados oriundos de cada uma dessa unidades ficou a cargo de um Raspberry Pi 3. Como forma de avaliar o comportamento do sistema, o mesmo submeteu-se a ensaios de performance de ruído, throughput de rede, perdas no envio de dados e validação de leitura. Além disso, utilizou-se o dispositivo proposto para extrair as frequências naturais de um modelo de dimensões reduzidas. Por fim, avaliou-se o total gasto para construção do dispositivo proposto. Conclui-se por meio dos resultados que foi possível desenvolver um sistema de aquisição de dados confiável para emprego no monitoramento de integridade estrutural, utilizando equipamentos de baixo custo e grande disponibilidade no mercado.

In the context of civil constructions, the reduction of carrying capacity in addition to uncertainties related to their integrity can cause, in extreme cases, the impossibility of using them or even a collapse. Consequently, there is the possibility of damage considering financial, economic, and environmental aspects and the maintenance of life or a combination of all. As a way to combat such obstacles, Structural Health Monitoring (SHM) emerges as a highly relevant practice. Monitoring a structure enables the establishment of more efficient action policies in emergency cases and preventive maintenance, thus reducing costs and repair time. On the other hand, the implementation of the SHM faces some challenges in its diffusion. Among them, the high costs related to the implementation and maintenance of the system stand out. In order to make the use of the MIE more attractive, it is necessary to develop devices that employ current, compact, low-cost, and easy-to-install technologies. Focusing on vibrationbased damage detection, this work aims to develop, program and implement a low-cost MEMS accelerometer-based device to be applied as a tool in structural health monitoring. The suggested instrumentation was characterized by being a data acquisition system composed of three simultaneous measurement units. Each one of them had a MPU 6500 sensor managed by an ESP 32 microprocessor. The acquisition and interpretation of data from each of these units was in charge of a Raspberry Pi 3. As a way of evaluating the behavior of the system, it was submitted to noise performance tests, network throughput, data sending losses and read validation. Furthermore, the proposed device was used to extract the natural frequencies of a model with reduced dimensions. Finally, the total expenditure for construction of the proposed device was evaluated. It is concluded through the results that it was possible to develop a reliable data acquisition system for use in structural health monitoring, using equipment of low cost and wide availability in the market.