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.

Since the 1940s, some reports can be found on the use of this technique. In recent years, due to the growing evangelization about its benefits and concomitant reduction in hardware and software costs, the technology has been more widely used, following the growing concerns of the technical and scientific community regarding structural performance in terms of safety, use and durability, as illustrated in Figure 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.

Figure 3: SH information flow - SOURCE: John Wiley & Sons, 2010 [1].

Um sistema típico de SHM abrange os seguintes aspectos:

1. The type of physical phenomenon, closely related to the damage, monitored by the sensors;
2. The type of physical phenomenon used by the sensors to produce a signal (usually electrical) to be sent to the data acquisition and storage system. Sensors of the same signal type form a network and can be processed and have their data combined with sensors of other types. 

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.).

The creation of a monitoring system for an asset allows the identification and storage of the equipment's operational history. Overloads that may occur will be identified above the defined operating limits and will be presented to system users by means of visual and/or audible alerts.

This operational overload information is stored by the system, creating a database that will allow more reliable analysis of the useful life of the machine and its components. Based on this database, more advanced analyses using artificial intelligence and statistics can be developed, resulting in greater knowledge of the equipment's behavior and consequent maximization of use.

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. 

Inspections of certain structural components can be prioritized according to the value of the component's accumulated fatigue damage, the extent of which is calculated by the monitoring system. 

For example, a yard machine boom will probably have greater accumulated damage than an undercarriage, since it experiences greater variation in loads over the same time interval, and will therefore be more subject to fatigue cracking.

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. Reducing uncertainties:

• Equipment owners face many uncertainties about the actual state of the equipment/structure materials, about the actual loads acting, about the structure involved and its ageing. When making decisions about the structure, these unknowns have to be taken into account. Monitoring helps to mitigate these uncertainties and therefore allows the owner to make decisions on the basis of data and in a shorter timeframe;

 2. discovery of hidden structural reserves:

• 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 Checking deficiencies at the right time and increasing safety:

• Some structures have deficiencies that cannot be identified through inspection or modeling. In these cases, it is crucial to take appropriate preventive action before it is too late. In this way, any repairs will be less costly and cause less interference in the structure's availability if they are carried out at the right time;

4. promoting the long-term quality of the structure and structural management of assets:

• Every quality policy requires measurements and feedback to ensure that objectives are achieved and that corrective action can be taken in the event of non-conformities. By providing continuous and quantitative data, a monitoring system helps assess the quality of the structure during construction, operation, maintenance and repair, thus eliminating hidden costs. Most defects and damage to a structure are incorporated during the construction process. However, many of them will only produce a noticeable result after many years, by which time repair is much more expensive and the asset is no longer covered by the contractor's warranty;

• 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. increased knowledge of engineering and assets:

• Learning how a structure actually works, under real operating conditions, will help the client to design better structures for the future. This creates the possibility of developing lower-cost, safer and more durable structures with greater reliability and performance. A small investment at the start of a project can lead to significant savings in the medium and long term by optimizing it and promptly discovering structural "weaknesses" in good time.

6. continuous monitoring:

• The system can operate 24 (twenty-four) hours a day, 7 (seven) days a week, providing a database that is fed uninterruptedly during the reading period. The amount of data makes it possible to create a reliable history of various moments in the life of the asset, making it easier to draw up comparisons, forecast maintenance, carry out analyses and anticipate predictive actions;

7 Extending the useful life of assets:

• 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. cost reduction:

• Cost reduction is correlated with taking action to mitigate anomalies immediately when they appear, investing resources in maintenance activities that are far less costly than repairing and reinforcing the structure.

Figure 4: Use of new technologies in addition to sensors - SOURCE: 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.

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Reference: 

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