SHM (Structural Health Monitoring) na Indústria 4.0

Introdução

O SHM (Structural Health Monitoring) ou Monitoramento da Saúde Estrutural de ativos pode ser definido como o processo de implementação de uma estratégia de caracterização e detecção de danos a estruturas de engenharia, como equipamentos, pontes e prédios, por exemplo. 

O termo “dano” é definido aqui como mudanças no material e/ou propriedades geométricas de um sistema estrutural, incluindo alterações nas condições de contorno, que podem, por sua vez, prejudicar seu desempenho

O processo de SHM é realizado a partir de sensores (extensômetros, acelerômetros, termopares etc.), que auxiliam na observação contínua, durante determinados períodos, de diversos fatores que, ao serem somados permitem analisar o estado em tempo real da estrutura/equipamento monitorado. Estudar os dados obtidos, com toda a fundamentação teórica do setor da engenharia, é extremamente importante, pois somente com o conhecimento do domínio pode-se extrair características diretamente relacionadas aos danos e, por fim, desenvolver análises estatísticas para a determinação do real estado de saúde estrutural do sistema.

Para máquinas rotativas, a análise e monitoramento de vibração de motores tem sido utilizada por décadas. No entanto, a análise de vibrações foi sempre utilizada de uma maneira isolada para fins de manutenção preditiva. A partir do momento da introdução de sensores e de técnicas que fazem uso de todos os dados para a construção de uma visão global, começou-se o desenvolvimento do que é conhecido, atualmente, como SHM.

Nas últimas duas décadas, tecnologias em SHM surgiram criando novas áreas de pesquisa em diferentes braços da engenharia. Entretanto, o que colaborou para maiores possibilidades de utilização do sistema foi a redução de custos em hardware (sensores, computadores e eletrônicas) e as melhoria em redes e internet. Conferências e revistas científicas surgiram para abordar especificamente o tema. 

Formas de se aplicar SHM

A solução de SHM não foca apenas na detecção de avarias, mas também visa estabelecer um sistema de alerta a favor do conhecimento da fadiga e da vida útil do bem a ser gerenciado. O SHM pode ser utilizado para o acompanhamento de longo prazo de malhas viárias e pontes, e também  em eventos catastróficos, como terremotos, por exemplo. 

SHM com foco em longo prazo

Com o passar do tempo é inevitável a ação do tempo e da degradação resultante de intempéries e do ambiente de operação na qual a estrutura está exposta. Dessa maneira, espera-se que o SHM indique se a estrutura ainda é capaz de desempenhar a função para a qual foi projetada. Esse entendimento é obtido através de investigações e atualizações periódicas relativas à estrutura. 

SHM com foco em eventos catastróficos

Logo após eventos extremos e acidentes pontuais, como terremotos ou explosões, o SHM é utilizado para uma rápida inspeção das avarias e disponibilização de informações confiáveis sobre a integridade da estrutura, em tempo real. Essa rapidez possibilita tomadas de decisão mais assertivas, pois são baseadas em fatos e dados, além de evitar a exposição de trabalhadores ao risco da estrutura que pode ter sido severamente afetada.

Figura 1 – Esquema ilustrativo de carregamento em um prédio submetido à onda de choque decorrente de uma explosão (Smith, P., & Hetherington, J. 1994) 

Indústria 4.0

Nos últimos anos, a indústria em geral (mineração, siderurgia e etc) vem passando por uma revolução digital com a evolução dos seus sistemas e tecnologias, que ficou conhecicida como indústria 4.0. Mike Moore[4] apresenta brevemente o conceito da Indústria 4.0 (ou quarta revolução industrial) na TechRadar:

“A Indústria 4.0 é a atual automação de práticas industriais e de manufatura, através de tecnologia moderna e inteligente. A Comunicação em larga escala de máquinas com máquinas (M2M Machine-to-machine) e Internet das Coisas (IoT – Internet of the Things) estão integradas para maior automação, comunicação evoluída e automonitoramento e produção de máquinas inteligentes…” 

Nesse contexto, sem sistemas e processos de SHM uma planta industrial não poderia se definir completamente adequada ao futuro da indústria 4.0, reforçando sua importância competitiva para que as grandes empresas continuem em destaque no cenário internacional.

Relacionado ao conceito de Indústria 4.0,  tem-se ainda a concepção de Digital Twins (em tradução literal, Gêmeos Digitais) na qual ocorre a integração de Inteligência Artificial, Aprendizado de Máquina e CAE (Computer Aided Engineering) utilizando o Método dos Elementos Finitos para a criação de gêmeos digitais vivos de simulação que podem atualizar o modelo virtual de acordo com as ocorrências do mundo físico.

Faz-se, então, importante considerar a participação da ciência computacional e da inteligência artificial no avanço das tecnologias da engenharia. Tem-se a indústria cada vez mais entrelaçada e dependente de suas contribuições, no que se diz respeito, ao aprendizado de máquinas voltados para o diagnóstico, e classificação de padrões em imagens e vídeos de câmeras industriais. 

Nesse sentido, essas aplicações têm claro impacto em contextos de inspeção e coleta de dados que podem corroborar diagnósticos e análises de sistemas SHM que, até então, se baseavam  somente em dados de sensores.

Por último, mas não menos importante, ressalta-se a crescente necessidade de se analisar gigantescas quantidades de dados geradas pelos atuais sistemas de coleta de dados dos sistemas de monitoramento atuais.  

A KOT Engenharia se destaca no mercado nacional e internacional com 27 anos de experiência, oferecendo serviços em engenharia de alto nível técnico para grandes empresas. As atividades realizadas pela KOT nas últimas décadas na área de cálculo estrutural, inspeção e monitoramento e credenciam a KOT a colaborar com sua empresa na apresentação desta ferramenta.

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Aender Ferreira

Técnico em Mecânica pelo CEFET-MG, Engenheiro Mecânico/Aeronáutico pela UFMG e Mestre em projetos mecânicos pela mesma universidade. Antes da graduação, teve experiências nos setores de mineração, manutenção, projeto, engenharia experimental e indústria automotiva. Como Engenheiro, iniciou sua carreira no setor de manutenção realizando atividades de cálculo para fadiga em componentes e estruturas aeronáuticas. Posteriormente foi convidado a compor o corpo Diretor da KOT Engenharia, atuando no setor comercial da empresa, exercendo o cargo há quase 15 anos.

Referências

[1]Mike Moore. TechRadar,2019.What is Industry 4.0? Everything you need to know. Disponível em: <https://www.techradar.com/news/what-is-industry-40-everything-you-need-to-know>. Acesso em: 12 de dezembro de 2020.

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