SHM e sua analogia com o Sistema Nervoso Humano

O processo de SHM (Structural Health Monitoring), ou Monitoramento da Saúde Estrutural, envolve a implementação de ferramentas e estratégias de caracterização e detecção de danos em estruturas e equipamentos de engenharia, sendo aplicado nos mais diferentes setores (Energia, Construção Civil, Mineração, Ferrovia etc). Para entender melhor os fundamentos de SHM que se relacionam com a indústria 4.0 confira o artigo: SHM (Structural Health Monitoring) na indústria 4.0.

O SHM apresenta uma constituição semelhante à do sistema nervoso humano, que é replicada em estruturas e equipamentos de engenharia, sendo esses últimos estacionários ou móveis. Desta forma, a implantação com êxito se assemelha a um sistema sensorial interconectado que alimenta um centro de processamento de informações. Em analogia ao organismo humano, o sistema sensorial do corpo composto por receptores e nervos, são representados pelos sensores e redes de fio em um equipamento complexo, por exemplo um avião. Toda a informação capturada pelos sensores e conduzida por nervos aferentes será encaminhada ao cérebro onde será conectada e interpretada, no caso do corpo humano. No SHM não é diferente, uma vez que apresenta, também, uma central desenvolvida para processamento de informações. 

 

Figura 1: Visão do SHM em ativos, comparado à estrutura do sistema nervoso humano – FONTE: AIRBUS – Materials for airframes, the A380 and beyond.

 

Basicamente, o SHM visa conhecer as condições e possíveis danos aos elementos críticos de uma estrutura, ou equipamento, definidos de acordo com objetivos, normas e requisitos. Suas ferramentas são capazes de coletar e processar os dados reais de operação do ativo, alimentando o processo de análise estrutural e permitindo a tomada de decisão com maior confiabilidade, precisão e agilidade. O sistema se faz extremamente útil no gerenciamento de ativos e recursos para sua manutenção, além de proporcionar um diagnóstico preciso das anomalias identificadas.

 O SHM também auxilia na tomada de decisões para garantir a integridade da estrutura, em conjunto com profissionais capacitados, no momento certo, de maneira proativa e não reativa. Quando bem implementado, um sistema de SHM permite correlacionar a fadiga obtida no cálculo teórico com o consumo de vida útil real da operação do equipamento. Portanto, a vida útil restante será monitorada diretamente dos componentes instrumentados sem necessidade de se realizar novos cálculos.

O monitoramento estrutural está intimamente ligado à segurança. De fato, a detecção precoce de comportamentos anormais mitiga o risco de colapso repentino. Essa detecção contribui para a preservação de vidas humanas e bens materiais. Além disso, os dados gerados pelo SHM auxiliam e apoiam a tomada de decisões a nível operacional e/ou gerencial. Complementarmente, o monitoramento estrutural por SHM fornece eficiência no planejamento de manutenção devido à análise do consumo de vida útil dos componentes da estrutura ou do equipamento. Assim, contribui para o prolongamento da vida útil da estrutura, minimizando os custos diretos de manutenção e as perdas de manutenção.

O SHM tem como objetivo determinar, a todo momento durante a vida útil do ativo, um diagnóstico dos componentes estruturais ou, quando possível, da estrutura como um todo. Mesmo com projetos auditados e bem elaborados, devido às condições de uso do ativo, ação ambiental e eventos acidentais, a estrutura pode sofrer uma ruptura respeitando os critérios de projeto. O monitoramento é capaz de levar em consideração esses critérios associados à dimensão do tempo, tendo caráter prognóstico complementar.

Desde a década de 1940, alguns relatórios podem ser encontrados sobre o uso dessa técnica. Nos últimos anos, devido à crescente evangelização sobre seus benefícios e concomitante redução nos custos de hardware e software, a tecnologia tem sido mais utilizada, seguindo as crescentes preocupações da comunidade técnica e científica em relação ao desempenho estrutural em termos de segurança, uso e durabilidade, conforme ilustra a Figura 2.

 

Figura 2: Principais justificativas para o uso do SHM – FONTE: Acervo Kot.

 

Na figura 3 abaixo, segue um esquema em alto nível de um SHM implantado nas superfícies de uma estrutura simples. Esse sistema envolve a integração de sensores (células de carga, acelerômetros etc.), processamento e transmissão de dados, permitindo o gerenciamento da estrutura no escopo individual de seus componentes e de todo o conjunto.

 

Figura 3: Fluxo de informação SH – FONTE: John Wiley & Sons, 2010 [1].

 

Um sistema típico de SHM abrange os seguintes aspectos:

1. 1. O tipo de fenômeno físico, intimamente relacionado ao dano, monitorado pelos sensores;

1. 1. O tipo de fenômeno físico usado pelos sensores para produzir um sinal (geralmente elétrico), a ser enviado para o sistema de aquisição e armazenamento de dados. Sensores de mesmo tipo de sinal, constituem uma rede e podem ser processados e ter seus dados combinados com sensores de outros tipos. 

Paralelamente, outros sensores monitoram as condições do meio, sendo possível realizar a função de monitoramento. O sinal entregue pelo sistema de monitoramento de integridade, associado aos dados históricos previamente registrados, é usado para criar um diagnóstico. Cruzando essas informações, além dos conhecimentos relacionados à integridade estrutural, é possível criar um prognóstico (vida residual) e o gerenciamento de integridade da estrutura (organização da manutenção, reparos, etc.).

A criação de um sistema de monitoramento para um ativo permite a identificação e armazenamento do histórico operacional do equipamento. As sobrecargas que, por ventura, virão a ocorrer serão identificadas acima dos limites operacionais definidos e serão apresentadas para os usuários do sistema por meio de alertas visuais e/ou sonoros.

Estas informações de sobrecarga operacional são armazenadas pelo sistema, criando um banco de dados que permitirá análises com maior confiabilidade acerca da vida útil da máquina e seus componentes. Com base nesse banco de dados, análises mais avançadas, que utilizam inteligência artificial e estatística, podem ser elaboradas, resultando em um maior conhecimento do comportamento do equipamento e consequente maximização da utilização.

Além de permitir o monitoramento das variáveis operacionais do equipamento, o sistema SHM, será capaz de indicar quais componentes estruturais do equipamento devem ser objeto de inspeção, ou até mesmo se uma inspeção pode ser postergada, como é o caso de equipamentos que operam com carga muito reduzida. Em contraponto, sendo o equipamento submetido a cargas excessivas, inspeções de rotina podem ser antecipadas, haja visto o risco de nucleação de trincas nessas circunstâncias. 

As inspeções em determinados componentes estruturais poderão ser priorizadas conforme o valor do dano acumulado em fadiga do componente, cujo alcance é calculado pelo sistema de monitoramento. 

Por exemplo, uma lança de máquina de pátio provavelmente terá um dano acumulado superior à um carro inferior, uma vez que apresenta maior variação de cargas em um mesmo intervalo de tempo, e, portanto, estará mais sujeita à trincas por fadiga.

As situações descritas acima ilustram de forma clara como o SHM é capaz de contribuir para uma eficaz atuação do setor de Manutenção, contribuindo para o tripé de benefícios associados ao sistema – segurança, utilização e durabilidade.

Benefícios do SHM

São benefícios do sistema SHM:

1. Redução de incertezas:

• • Os proprietários de equipamentos enfrentam muitas incertezas sobre o estado real dos materiais do equipamento/estrutura, sobre as cargas reais agindo, sobre a estrutura envolvida e o seu envelhecimento. No momento de tomar decisões sobre a estrutura, estas incógnitas têm que ser levadas em conta. O monitoramento ajuda a mitigar essas incertezas e, portanto, permite ao proprietário tomar decisões conforme base de dados e em menor tempo hábil;

2.Descoberta de reservas estruturais ocultas:

• • Em algumas situações, muitas estruturas estão em condições muito melhores do que o esperado. Desta forma, o SHM permitirá um aumento efetivo das margens de segurança sem qualquer intervenção sobre a estrutura. Aproveitando as melhores propriedades dos materiais, efeitos sinérgicos, entre outros fatores, se faz possível prolongar, com segurança, o tempo de vida ou capacidade de uma estrutura, sem qualquer intervenção.

3.Verificação de deficiências no tempo adequado e elevação da segurança:

• • Algumas estruturas apresentam deficiências que não podem ser identificadas por meio de inspeção ou modelagem. Nestes casos, é crucial empreender ações preventivas adequadas antes que seja tarde demais. Deste modo, eventuais reparos apresentarão um menor custo e causarão menor interferência na disponibilidade da estrutura, se forem feitos no momento certo;

4.Promoção da qualidade de longo prazo da estrutura e da gestão estrutural do ativo:

• • Cada política de qualidade requer medições e retroalimentação para garantir que os objetivos sejam alcançados e que ações corretivas possam ser tomadas em caso de não conformidades. Ao fornecer dados contínuos e quantitativos, um sistema de monitoramento ajuda avaliar a qualidade da estrutura durante a construção, operação, manutenção e reparo, eliminando assim os custos ocultos. A maioria dos defeitos e danos a uma estrutura são incorporados durante o processo de construção. No entanto, muitos deles irão produzir um resultado perceptível somente após muitos anos, momento no qual o reparo é muito mais caro e o ativo já não é mais coberto pela garantia do contratante;

• • Os dados de monitoramento podem ser usados para a realização de uma manutenção “sob demanda”. Dessa forma, custos são reduzidos por otimização da operação, da manutenção, do reparo e da substituição de estruturas com base em dados confiáveis e objetivos. Dados do SHM podem ser integrados nos sistemas de gestão estrutural para aumentar a qualidade das decisões, fornecendo informações confiáveis e imparciais.

5.Elevação do conhecimento sobre a Engenharia e o ativo:

• • Aprender como uma estrutura funciona de fato, em condições reais de operação, ajudará o cliente a projetar estruturas melhores para o futuro. Cria-se assim, a possibilidade para o desenvolvimento de estruturas com menor custo, mais seguras e duráveis, com maior confiabilidade e desempenho. Um pequeno investimento no início de um projeto pode levar a economias significativas em médio e longo prazo, otimizando-o e descobrindo prontamente as “fraquezas” estruturais no tempo adequado.

6.Monitoramento contínuo:

• • O funcionamento do sistema pode ocorrer 24 (vinte e quatro) horas por dia, nos 7 (sete) dias da semana, providenciando um banco de dados alimentado ininterruptamente durante o período de leitura. A quantidade de dados permite criar um histórico confiável de diversos momentos na vida do ativo, facilitando na elaboração de comparativos, previsão da manutenção, realização de análises e antecipação de ações preditivas;

7.Extensão da vida útil do ativo:

• • O aumento da vida útil do ativo está diretamente relacionado aos ganhos de precisão e à quantidade de informação que o sistema SHM fornece. Os dados coletados possibilitam a realização de ações preditivas e preventivas que beneficiam a integridade a longo prazo da estrutura. Desta forma, expande-se a durabilidade do ativo com a mesma confiabilidade de projeto; 

8.Redução de custos:

• • A redução dos custos está correlacionada com a realização de ações para mitigar anomalias imediatamente quando estas aparecem, investindo os recursos em atividades de manutenção bem menos onerosas do que as atividades de reparo e reforço da estrutura.

Figura 4: Utilização de novas tecnologias em adição aos sensores – FONTE: JRC/TRIMIS.

Em suma, SHM é um processo que permite às empresas uma melhor gestão de seus ativos, mas que demanda tecnologias específicas, profissionais capacitados, e uma cultura empresarial alinhada com ações de predição e prescrição ao invés de medidas corretivas.

Se sua procura é por aplicações reais de SHM no mercado, a Kot Engenharia se destaca no mercado nacional e internacional com mais de 30 anos de experiência, oferecendo serviços em engenharia de alto nível técnico para grandes empresas. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. O que é o SHM e por que ele é comparado ao sistema nervoso humano?

O SHM é o conjunto de estratégias e tecnologias voltadas para a caracterização, localização e detecção contínua de danos em ativos de engenharia. A analogia com o sistema nervoso ocorre porque o SHM replica a estrutura sensorial biológica:

• Receptores e Nervos (-> Sensores e Cabeamento): Células de carga, extensômetros (strain gauges) e acelerômetros instalados nos pontos críticos capturam as deformações e vibrações físicas;

• Vias Aferentes (-> Rede de Transmissão): Transmitem os sinais elétricos ou digitais até as centrais de processamento;

• Cérebro (-> Sistema de Processamento e Diagnóstico): Processa os dados brutos, cruza com históricos e emite alertas ou diagnósticos em tempo real sobre a condição da estrutura.

2. Como o SHM calcula o consumo de vida útil por fadiga de forma real?

Na engenharia tradicional, o cálculo de fadiga é feito com base em estimativas e premissas teóricas de carregamento. Com o SHM, a estrutura passa a registrar as tensões e ciclos operacionais efetivamente sofridos durante o trabalho. O software do sistema correlaciona a variação de carga medida com as curvas de resistência do material, calculando o dano acumulado em tempo real. Dessa forma, a vida útil restante (prognóstico) é atualizada continuamente sem a necessidade de recomputar modelos teóricos a cada evento.

3. Quais são os componentes essenciais de um fluxo de informação em SHM?

Um sistema completo de monitoramento estrutural abrange quatro camadas integradas:

Camada do Sistema	Função Principal	Exemplos
1. Sensoriamento do Ativo	Medir grandezas físicas diretamente relacionadas aos danos estruturais	Células de carga, acelerômetros, extensômetros e LVDTs
2. Aquisição e Transmissão	Converter o sinal físico em sinal elétrico/digital e transmitir sem ruído	Módulos DAS, nós de rede sem fio e barramentos industriais
3. Diagnóstico e Alertas	Identificar sobrecargas operacionais e emitir avisos preventivos	Alertas visuais/sonoros e dashboards de fadiga acumulada
4. Prognóstico e Gestão	Calcular a vida residual e integrar com os planos de manutenção	Schedulers de inspeção preditiva e modelos de Inteligência Artificial

4. De que forma o SHM otimiza as rotinas de inspeção e manutenção?

Em vez de realizar inspeções por intervalos fixos de tempo (manutenção preventiva tradicional), o SHM viabiliza a manutenção sob demanda e orientada ao risco:

• Antecipação de inspeções: Se o equipamento for submetido a uma sobrecarga severa, o sistema dispara um alerta recomendando inspecionar imediatamente os pontos suscetíveis a trincas por fadiga;

• Postergação segura: Se o ativo operar abaixo da capacidade máxima por longos períodos, o acúmulo de dano será baixo, permitindo adiar inspeções dispendiosas com respaldo de dados;

• Priorização de componentes: Identifica quais partes sofrem maior variação de carga (por exemplo, a lança de uma máquina de pátio em relação ao seu carro inferior), direcionando o foco da equipe técnica para onde o risco de falha é maior.

5. Quais são os 8 principais benefícios de implementar o SHM em plantas industriais?

1. Redução de Incertezas: Toma decisões com base no comportamento real da estrutura, eliminando dúvidas sobre carregamentos efetivos;

2. Descoberta de Reservas Estruturais Ocultas: Identifica se o material está operando com folga de capacidade, permitindo estender o uso ou aumentar a carga com segurança sem intervenções físicas;

3. Detecção Precoce de Anomalias: Permite reparos simples antes que o dano evolua para trincas profundas ou colapso estrutural;

4. Gestão de Qualidade do Ativo: Acompanha o surgimento de defeitos desde a fase de fabricação/montagem até a operação contínua;

5. Elevação do Conhecimento de Engenharia: Os dados do comportamento em campo alimentam novas premissas de projeto para futuras máquinas mais eficientes;

6. Monitoramento Contínuo ($24/7$): Histórico ininterrupto de dados para comparativos de desempenho e análise de tendências;

7. Extensão da Vida Útil: Ações preditivas precisas prolongam a durabilidade da estrutura mantendo os coeficientes de segurança;

8. Redução de Custos de Manutenção: Evita paradas não planejadas e substitui grandes intervenções corretivas por reparos preventivos pontuais.

6. Como o histórico de dados gerado pelo SHM impulsiona a Inteligência Artificial na engenharia?

O funcionamento contínuo do SHM consolida um grande banco de dados (Big Data) sobre os ciclos de carga e resposta do ativo ao longo dos anos. Ao aplicar algoritmos de Inteligência Artificial e análise estatística avançada sobre esse histórico, a empresa passa a prever comportamentos anômalos com antecedência, ajustando parâmetros operacionais para maximizar a utilização da máquina sem comprometer a integridade física.

Referência: 

[1] BALAGEAS, Daniel; FRITZEN, Claus-Peter; GÜEMES, Alfredo (Ed.). Structural health monitoring. John Wiley & Sons, 2010.