Modelagem computacional de postes de concreto armado : calibração modal por meio de dados experimentais

Abstract

Resumo: O monitoramento da saúde estrutural tem despertado o interesse de muitos estudos nos últimos anos, principalmente nas indústrias da Engenharia Mecânica, Aeroespacial e Civil. Por conta da complexidade das estruturas e da necessidade de evitar quaisquer tipos de avarias que podem acarretar em falhas de operação, serviço ou até mesmo acidentes envolvendo pessoas, a garantia da integridade estrutural dessas estruturas é essencial. O monitoramento de postes de concreto armado se faz necessário para evitar interrupções na distribuição de energia elétrica e, principalmente, para providenciar segurança às operações de manutenção ou serviço, evitando acidentes de trabalho, os quais podem ser fatais. Nesse sentido, optou-se por criar um modelo desenvolvidos em software comercial baseado no Método dos Elementos Finitos, Ansys Workbench 18.1, que poderá ser futuramente utilizado em um sistema de monitoramento da saúde estrutural de postes, comparando suas propriedades modais, tais como frequência e modo natural de vibração medidas experimentalmente. Nesse contexto, este trabalho propõe um modelo computacional que sirva de base ao sistema de monitoramento da integridade estrutural de postes de concreto armado. O modelo é verificado, calibrado, e por fim atualizado. Essas atividades são feitas por meio da comparação dos parâmetros modais obtidos no modelo com os valores obtidos por meio de modelos analíticos e análise modal experimental em protótipos compostos por vigas de concreto armado e postes de distribuição reais. Os protótipos têm sua degradação simulada e acelerada pela aplicação de sulfatos, cloretos e uma combinação de ambos agentes químicos. A evolução da rigidez das vigas submetidas a esses três tratamentos é acompanhada por um período de nove meses. Os dados obtidos neste estudo mostram que não foi observada, no período e nas condições experimentais testadas, uma tendência clara na queda da rigidez com o tempo de aplicação dos agentes químicos. Os protótipos foram testados na condição sem apoios e parcialmente enterrados, tendo modelos matemáticos sido construídos para ambas as condições. A interação com o solo foi simulada por meio de uma fundação elástica-linear atuante apenas na compressão. Por fim, foram construídos modelos para postes de distribuição reais em condição livre e parcialmente enterrada. Os modelos mostram uma boa correlação com os testes experimentais para todas as condições ensaiadas e, portanto, pode ser utilizado como base do monitoramento da integridade real dessas estruturas por meio da identificação de seus parâmetros modais. Palavras-chave: Método dos Elementos Finitos. Monitoramento da Saúde Estrutural, Análise Modal Experimental.

Abstract: The structural health monitoring (SHM) has motivated several studies in the last few years, especially in the Civil, Mechanics and Aerospacial Engineering industries. Due to the complexity of the structures and the need to avoid any kinds of malfunctions that may lead to operational failures, or even to accidents involving personnel, the assurance of the structural integrity is essential. The monitoring of reinforced concrete light poles is needed to avoid disruptions in the electricity distribution and mainly to provide safety to maintenance or service operations, avoiding work accidents, which can be deadly. With that in mind, it is interesting to create a computer model developed in a Finite Element Method-based commercial software, Ansys Workbench 18.1, in order to build a structural health monitoring system of light poles, comparing their modal properties, such as experimentally measured natural vibrations frequencies and mode shapes, with the data obtained in the numerical models. In this context, this work proposes a computational model in which the SHM system of concrete light poles can be based. The model is verified, calibrated and, at last, updated. These activities are done through the comparison of the modal parameters obtained by the model and the ones calculated with analytical methods and with Experimental Modal Analysis (EMA) in reinforced concrete beam prototypes and in real light poles. The prototypes' degradation is simulated and accelerated by sprinkling sulfate, chloride and a mixture of these two components on its surface. The evolution of the beam's stiffness that undergo those three treatments is carried through nine months. The data obtained in this study show that, during the period and with the tested experimental conditions, there are no decaying tendencies in the prototypes' stiffness. Furthermore, the beams were tested in free-free and partially buried conditions. Mathematical models were built for both types of support. The interaction with the soil was simulated through a compression-only linear-elastic foundation. At last, real light pole computational models were built in both free-free and partially buried conditions. These models show assurance when compared to the experimental tests for all tested conditions, therefore can be used as basis of the light pole structures' SHM through the identification of their modal parameters. Keywords: Finite Elements Method. Structural Health Monitoring. Reinforced concrete light poles.