Monitorização SHM por fibra ótica em pontes rolantes
A tecnologia de sensores de fibra óptica Bragg (FBG) oferece medição de deformação online de alta precisão e imune a interferências eletromagnéticas para a monitorização da saúde estrutural (SHM) da estrutura de aço da ponte rolante, permitindo a avaliação da vida residual em tempo real através de modelos de dano acumulado por fadiga.
De acordo com os métodos de avaliação da vida útil à fadiga de estruturas metálicas definidos na norma ISO 4301 / FEM 1.001, a estrutura de aço de uma ponte rolante de uso geral acumula danos de fadiga sob cargas alternadas de longo prazo. As inspeções não destrutivas periódicas tradicionais (MT/UT) não conseguem capturar todo o processo de iniciação e propagação de trincas. O surgimento da tecnologia de sensores de fibra óptica Bragg (FBG) oferece uma solução distribuída, de alta precisão e operável online de forma contínua para a monitorização da saúde estrutural (SHM) da estrutura de aço da ponte rolante. O sistema KL-SHM-FBG, que integra sensoriamento de deformação por fibra óptica com algoritmos de avaliação de vida à fadiga, já foi implementado em diversos cenários metalúrgicos e portuários.
Composição e princípio do sistema de sensores de fibra óptica
Os sensores FBG utilizam laser ultravioleta para gravar uma rede de índice de refração periódica no núcleo da fibra óptica. Quando uma fonte de luz de banda larga incide, o comprimento de onda específico que satisfaz a condição de Bragg λB=2neffΛ é refletido. Quando a fibra é submetida a deformação axial ou variação de temperatura, o período da rede Λ e o índice de refração efetivo neff mudam, resultando em um deslocamento do comprimento de onda refletido. Para medição de deformação, a sensibilidade típica é de 1,2 pm/με, com resolução de até 0,1 με, muito superior ao nível de 1 με dos extensômetros de resistência elétrica.
O sistema KL-SHM-FBG completo é composto por três partes:
①Módulo de fonte de luz de fibra — utiliza fonte de luz ASE de banda larga (banda C 1525~1565 nm, potência de saída ≥10 mW);
②Interrogador de comprimento de onda — baseado no princípio do filtro Fabry-Perot sintonizável, frequência de varredura de 1 kHz, resolução de comprimento de onda de 1 pm;
③Matriz de rede de sensores — cada canal pode conectar 16 sensores FBG em série, utilizando tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) para distinguir diferentes pontos de medição.
O sistema envia os dados demodulados para a plataforma SHM na nuvem através de gateway 4G/5G, permitindo visualização remota em tempo real.
Plano de implantação da rede de sensores de deformação
A viga principal, as cabeceiras e as conexões são regiões sensíveis à fadiga e requerem pontos de monitorização prioritários. Com base nos resultados da análise de elementos finitos (FEA), sensores FBG de deformação bidirecionais (nos sentidos longitudinal e transversal) são instalados na flange inferior da seção central do vão da viga principal, sensores unidirecionais são instalados nas extremidades da viga principal (a aproximadamente 1/4 do vão a partir da cabeceira), e sensores multiponto são instalados ao redor dos grupos de Parafusos de Alta Resistência nas conexões das cabeceiras.
A instalação dos sensores utiliza um processo de fixação por pré-tensionamento adesivo + revestimento protetor de cianoacrilato. Cada sensor é calibrado previamente na fase de pré-fabricação da oficina, garantindo precisão de comprimento de onda inicial de ±0,05 nm. Durante a implantação em campo, um FBG de compensação de temperatura (instalado suspenso, sem deformação) é utilizado para eliminar o efeito de sensibilidade cruzada à temperatura. Recomenda-se a implantação de 16 a 24 pontos de medição por viga principal para constituir uma rede completa de monitorização do campo de deformação. Os cabos de sinal são conduzidos ao longo da alma da viga principal em eletrocalhas, até o armário de aquisição de dados localizado abaixo da Cabine do Operador.
A escolha da densidade de pontos de medição requer um equilíbrio entre a precisão de detecção e o custo do sistema. A regra prática é: para pontes rolantes de uso geral com vão de 22,5 a 31,5 m, um ponto de medição FBG bidirecional é instalado a cada 2,5 a 3 m ao longo do flange inferior da viga principal, com adensamento para 1,5 m na região central do vão. Nas regiões de conexão das cabeceiras, a atenção concentra-se na primeira e na última fileira dos grupos de Parafusos de Alta Resistência (zonas de concentração de tensão), com pelo menos 2 pontos de medição (um de medição e um de reserva) em cada nó de conexão. Para pontes rolantes metalúrgicas (Classe de Funcionamento A7/A8), recomenda-se instalar pontos de monitorização em todas as regiões com tensão >60 MPa no mapa de tensões da FEA, garantindo 100% de cobertura das seções críticas. A característica de multiplexação por divisão de comprimento de onda do sistema KL-SHM-FBG permite adicionar ou remover pontos de medição com flexibilidade no cabo principal sem a necessidade de re-instalar a fibra óptica tronco.
Método de avaliação online da vida útil à fadiga
A avaliação da vida útil à fadiga com base em dados de histórico tensão-tempo em tempo real segue um procedimento padrão de três etapas: primeiro, aplica-se a contagem de ciclos Rainflow (Rainflow Counting) à forma de onda tensão-tempo de cada ponto de medição, extraindo pares de amplitude-média para ciclos completos e meios ciclos; em seguida, com base na curva S-N do material (para aços Q235B/Q355B comumente usados em pontes rolantes, classe de fadiga FAT 125~160), calcula-se a contribuição de dano Di = ni/Ni de cada ciclo através da Regra de dano cumulativo linear de Palmgren-Miner (D = Σ n_i/N_i ≤ 1,0 para verificação de vida útil de projeto); finalmente, acumula-se o dano total D=ΣDi, e quando D≥1, considera-se que o ponto atingiu o limite de vida útil à fadiga.
Para melhorar a precisão da avaliação, o sistema incorpora o modelo de correção de tensão média de Goodman, convertendo a amplitude de tensão de ciclos assimétricos numa amplitude equivalente de tensão média zero: σa,e = σa × σb/(σb−σm). Simultaneamente, utiliza-se uma Matriz de Markov (Markov Matrix) para armazenar os resultados da contagem Rainflow, mantendo uma matriz bidimensional de amplitude-média de 128×128 para cada ponto de medição, com uma taxa de compressão de dados de 1000:1, adequada para registo online de longo prazo. O sistema atualiza a curva de dano cumulativo a cada 10 minutos e envia automaticamente uma notificação de alerta quando a taxa de dano diário excede o limiar (por exemplo, dano diário >0,01%).
Na prática de engenharia, a incerteza na avaliação da vida útil à fadiga provém principalmente da dispersão da curva S-N e do tratamento de ciclos de pequena amplitude na contagem Rainflow. Para ciclos de pequena amplitude (amplitude <5με), o Instituto Internacional de Soldadura (IIW) recomenda o método de truncamento (cut-off limit), ignorando-os diretamente, uma vez que a sua contribuição para o dano por fadiga é inferior ao limiar de resistência à fadiga. Para ciclos de amplitude média (5~30με), pode ser aplicada a fórmula de correção de Haibach, ajustando a inclinação da curva S-N de m=3 para m'=2m−1=5, de modo a avaliar de forma mais conservadora o efeito cumulativo de ciclos de baixa tensão. O sistema KL-SHM-FBG adota por defeito o método de curva S-N de dupla inclinação da norma IIW, podendo o utilizador selecionar diferentes normas (como Eurocode 3, BS 7608 ou AS 4100) na interface do software, consoante o grau do aço e o tipo de junta.
Comparação com o método tradicional de medição elétrica
Para demonstrar claramente as vantagens técnicas da deteção por redes de Bragg em fibra ótica (FBG) em comparação com os extensómetros de resistência elétrica tradicionais, apresenta-se uma comparação transversal em seis dimensões-chave. Estes parâmetros determinam diretamente a disponibilidade a longo prazo e os custos de manutenção do sistema SHM em ambientes industriais como siderurgias e portos, sendo fatores críticos na decisão de seleção.
Numa perspetiva de engenharia, os principais fatores de ponderação na escolha da solução incluem: custo de investimento inicial, despesas de manutenção a longo prazo, fiabilidade dos dados e escalabilidade do sistema. Embora a solução com extensómetros de resistência tenha um custo de aquisição por ponto mais baixo, em ambientes industriais como pontes rolantes, caracterizados por alta vibração, poeira abundante e forte interferência eletromagnética, problemas como o envelhecimento e rutura dos cabos de sinal, deriva do zero nos amplificadores e interferência de radiofrequência resultam num custo total de ciclo de vida (TCO) que é, na prática, 1,8 a 2,5 vezes superior ao da solução FBG. A comparação abrangente nas seis dimensões seguintes visa auxiliar as empresas a tomar uma decisão informada com base nas suas condições operacionais específicas e orçamento.
| Critério de Comparação | Resistência Solução com extensômetros | FBGSolução com redes de Bragg em fibra óptica |
|---|---|---|
| Custo por ponto | ¥15~30/extensômetro | ¥80~150/ponto(inclui amortização do interrogador) |
| longo prazoestabilidade | deriva de zero0.5%/mês, requer recalibração frequente do zero | deriva anual<0.1%, isento Calibração |
| resistência a Eletromagnéticointerferência | inferior(sinais elétricos suscetíveis a Inversor de Frequênciadiafonia) | superior(sinal óptico, totalmente imune a EMIinfluência) |
| capacidade de multiplexação | cada extensômetro requercabo de sinal | 16ponto/multiplexação por divisão de comprimento de onda em fibra única |
| complexidade de cabeamento | grande quantidade de cabos(suscetível a rompimento, mau contato) | fibra única em série para todos os pontos de medição |
| ciclo de manutenção | 3~6meses, requer substituição | 5anos ou mais, livre de manutenção |
Análise de Casos de Aplicação Típicos
Tomando como exemplo uma ponte rolante de 32t/50t na nave de fusão de uma siderúrgica, com Classe de Funcionamento A7, ciclo de trabalho médio de 220 ciclos/dia e 8 anos de operação. Em junho de 2025, foi instalado o sistema KL-SHM-FBG, com 24 pontos de medição FBG distribuídos no vão central da Viga Principal, na zona de ligação da Cabeceira e na zona termicamente afetada do Cordão de Solda. No 47.º dia após a entrada em funcionamento do sistema, o ponto de medição #7 no vão central da Viga Principal detetou um aumento súbito de 18% na amplitude de deformação, e a conversão por contagem de ciclos (rainflow) indicou que a taxa de dano diária naquele ponto subiu de 0,003% (valor de referência) para 0,024%.
Após paragem para manutenção, o Ensaio por Partículas Magnéticas (MT) confirmou a existência de uma Trinca transversal de fadiga com cerca de 12 mm de comprimento naquela zona. Após reparação atempada por soldadura, a operação normal foi retomada, evitando uma Fratura súbita. Este caso validou o valor de alerta antecipado do sistema FBG-SHM em aplicações de engenharia.
O sucesso deste caso atraiu a atenção do setor, tendo posteriormente 3 outras siderúrgicas e 2 empresas portuárias implementado sistemas SHM do mesmo tipo. Numa perspetiva de benefício económico, o custo médio de reparação de uma Fratura da Viga Principal devido a falha de Detecção de Trincas numa única ponte rolante é de aproximadamente 45 000 a 80 000 € (incluindo substituição estrutural, perdas de produção e custos de Içamento), enquanto o custo de implementação do sistema KL-SHM-FBG por unidade é de cerca de 6 000 a 10 000 €, resultando num rácio custo-benefício de aproximadamente 1:5 a 1:8. Após a entrada em funcionamento do sistema, a siderúrgica detetou atempadamente 3 Trincas de fadiga e 7 afrouxamentos de ligações num período de 12 meses, evitando diretamente 2 potenciais Fraturas da Viga Principal. As subsequentes Atualizações do sistema SHM em 6 pontes rolantes da mesma siderúrgica adotaram a solução de sensores FBG, totalizando 192 sensores FBG instalados, abrangendo todas as pontes rolantes das naves metalúrgicas.
Perguntas Frequentes
P: Qual é a principal vantagem dos sensores de fibra ótica Bragg (FBG) em comparação com os extensómetros de Resistência elétrica no SHM de pontes rolantes?
R: A vantagem mais crítica dos sensores FBG é a imunidade a interferências eletromagnéticas e a estabilidade a longo prazo. O Ambiente de Trabalho de uma ponte rolante está sujeito a campos eletromagnéticos intensos gerados por Inversores de Frequência, Motores e Cabos de alta Corrente. Os sinais de nível microvolt dos extensómetros de Resistência são facilmente perturbados, causando falsos alarmes ou falhas de Detecção. O FBG transmite sinais óticos, sendo totalmente imune a interferências EMI. Além disso, a deriva do zero dos extensómetros de Resistência é de aproximadamente 0,5%/mês, exigindo várias calibrações anuais; enquanto a referência de comprimento de onda do FBG se baseia em linhas de transição atómica, com uma deriva anual inferior a 0,1%. Adicionalmente, o FBG permite multiplexar 16 pontos de medição numa única fibra (WDM), reduzindo significativamente o trabalho de cablagem.
P: Como garantir a fiabilidade operacional a longo prazo dos sensores FBG em ambientes exteriores de guindastes?
R: O corpo do sensor utiliza fibra revestida a ouro com um processo de re-revestimento em poliamida, protegido por uma Vedação dupla em camadas de cianoacrilato e silicone. As caudas de fibra utilizam cabo blindado (diâmetro de 3 mm, tubo espiral de Aço Inoxidável + camada de reforço em Kevlar), resistente a arrastamento e roedores. A gama de temperatura de funcionamento para todas as condições meteorológicas é de −40 a +85°C, com Grau de Proteção (IP) IP67. Na zona da Cabeceira, sujeita a maiores vibrações e impactos, recomenda-se a instalação de uma Placa de cobertura metálica de proteção. Os dados de campo mostram que, em ambientes de alta poeira e humidade de uma siderúrgica, a taxa de sobrevivência dos sensores permanece acima de 97% após 24 meses de operação.
P: Que fatores influenciam a Precisão da avaliação da vida útil à fadiga do sistema SHM?
R: A avaliação é influenciada principalmente por três fatores: a adequação da curva S-N — os Níveis FAT variam consoante o Grau e a espessura do Aço, podendo a diferença entre Q235B (≈S235JR) e Q355B (≈S355JR) ser de 15 a 20%; a precisão do algoritmo de contagem rainflow — a extração correta de ciclos completos/meios ciclos depende de uma definição adequada do limiar (recomenda-se uma banda morta de 3 με); e a aplicabilidade do modelo de correção de Goodman — cuja eficácia é limitada quando a tensão média é de compressão. A precisão abrangente situa-se normalmente dentro de ±30% (erro relativo), o que é considerado um Nível aceitável em engenharia no âmbito do quadro de avaliação SHM da Norma ISO 12111.
P: Que funcionalidades de Monitoramento Remoto e alerta são suportadas pelo sistema KL-SHM-FBG da Kelude Indústrias Pesadas?
R: O sistema KL-SHM-FBG da Kelude Indústrias Pesadas oferece um mecanismo de alerta em quatro Níveis: aviso azul (taxa de dano diária num ponto >0,005%), alerta amarelo (>0,01%), alerta laranja (>0,05% com dano acumulado >0,3) e alarme vermelho (dano acumulado ≥0,8 ou variação súbita da amplitude de deformação >15%). O sistema carrega dados para a plataforma SHM na nuvem através de um gateway 4G/5G, permitindo a visualização em tempo real das formas de onda de deformação de cada ponto de medição, das curvas de dano acumulado e das tendências de previsão da vida residual através de uma aplicação para telefone celular. É também gerado automaticamente um relatório SHM mensal em PDF, incluindo a matriz rainflow, mapas de distribuição de danos e recomendações de Manutenção.
