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 la década de 1940 se pueden encontrar algunos informes sobre el uso de esta técnica. En los últimos años, debido a la creciente evangelización sobre sus beneficios y la concomitante reducción de los costes de hardware y software, la tecnología se ha utilizado más ampliamente, a raíz de la creciente preocupación de la comunidad técnica y científica por el rendimiento estructural en términos de seguridad, uso y durabilidad, como se ilustra en la 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: Flujo de información de SH - FUENTE: John Wiley & Sons, 2010 [1].

Um sistema típico de SHM abrange os seguintes aspectos:

1. Tipo de fenómeno físico, estrechamente relacionado con el daño, supervisado por los sensores;
2. Tipo de fenómeno físico utilizado por los sensores para producir una señal (generalmente eléctrica) que se envía al sistema de adquisición y almacenamiento de datos. Los sensores del mismo tipo de señal forman una red y pueden procesarse y combinar sus datos con sensores de otros 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.).

La creación de un sistema de monitorización de un activo permite identificar y almacenar el historial de funcionamiento del equipo. Las sobrecargas que puedan producirse se identificarán por encima de los límites de funcionamiento definidos y se presentarán a los usuarios del sistema mediante alertas visuales y/o sonoras.

Esta información de sobrecarga operativa es almacenada por el sistema, creando una base de datos que permitirá realizar análisis más fiables de la vida útil de la máquina y sus componentes. A partir de esta base de datos, se pueden desarrollar análisis más avanzados utilizando inteligencia artificial y estadística, lo que se traduce en un mayor conocimiento del comportamiento del equipo y la consiguiente maximización de su uso.

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. 

Las inspecciones de determinados componentes estructurales pueden priorizarse en función del valor del daño acumulado por fatiga del componente, cuyo alcance calcula el sistema de supervisión. 

Por ejemplo, la pluma de una máquina de astillero probablemente tendrá mayores daños acumulados que un tren de rodaje, ya que experimenta una mayor variación de cargas en el mismo intervalo de tiempo y, por lo tanto, estará más sujeta a grietas por fatiga.

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. Reducir las incertidumbres:

• Los propietarios de los equipos se enfrentan a muchas incertidumbres sobre el estado real de los materiales del equipo/estructura, sobre las cargas reales que actúan, sobre la estructura implicada y su envejecimiento. A la hora de tomar decisiones sobre la estructura, hay que tener en cuenta estas incógnitas. La monitorización ayuda a mitigar estas incertidumbres y, por tanto, permite al propietario tomar decisiones con conocimiento de causa de manera más oportuna;

 2. descubrimiento de reservas estructurales 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 Controlar las deficiencias en el momento oportuno y aumentar la seguridad:

• Algunas estructuras presentan deficiencias que no pueden detectarse mediante inspección o modelización. En estos casos, es crucial tomar las medidas preventivas adecuadas antes de que sea demasiado tarde. De este modo, cualquier reparación será menos costosa y causará menos interferencias en la disponibilidad de la estructura si se lleva a cabo en el momento adecuado;

4 Promover la calidad a largo plazo de la estructura y la gestión estructural de los activos:

• Toda política de calidad requiere mediciones y retroalimentación para garantizar que se cumplen los objetivos y que pueden adoptarse medidas correctoras en caso de no conformidad. Al proporcionar datos continuos y cuantitativos, un sistema de seguimiento ayuda a evaluar la calidad de la estructura durante la construcción, el funcionamiento, el mantenimiento y la reparación, eliminando así costes ocultos. La mayoría de los defectos y daños de una estructura se incorporan durante el proceso de construcción. Sin embargo, muchos de ellos sólo producen un resultado perceptible al cabo de muchos años, momento en el que la reparación es mucho más cara y el activo deja de estar cubierto por la garantía del contratista;

• 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. Mayor conocimiento de la ingeniería y los activos:

• Aprender cómo funciona realmente una estructura en condiciones reales de funcionamiento ayudará al cliente a diseñar mejores estructuras para el futuro. Esto crea la posibilidad de desarrollar estructuras de menor coste, más seguras y duraderas, con mayor fiabilidad y rendimiento. Una pequeña inversión al inicio de un proyecto puede suponer un ahorro importante a medio y largo plazo al optimizarlo y descubrir a tiempo los "puntos débiles" estructurales.

6. control continuo:

• El sistema puede funcionar 24 (veinticuatro) horas al día, 7 (siete) días a la semana, proporcionando una base de datos que se alimenta ininterrumpidamente durante el periodo de lectura. La cantidad de datos permite crear un historial fiable de diversos momentos de la vida del activo, lo que facilita la elaboración de comparaciones, la previsión del mantenimiento, la realización de análisis y la anticipación de acciones predictivas;

7 Prolongación de la vida útil de los activos:

• 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. reducción de costes:

• La reducción de costes se correlaciona con la adopción de medidas para mitigar las anomalías inmediatamente cuando aparecen, invirtiendo recursos en actividades de mantenimiento que son mucho menos costosas que reparar y reforzar la estructura.

Figura 4: Uso de nuevas tecnologías además de sensores - FUENTE: 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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Referencia: 

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