Sensores sem fio abrem novas possibilidades para monitoramento de pontes

Pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Drexel University desenvolveram um sistema de sensor sem fio movido a energia solar que pode monitorar continuamente a deformação da ponte e pode ser usado para alertar as autoridades quando o desempenho da ponte se deteriorar significativamente. Com mais de 46.000 pontes em todo o país consideradas em más condições, de acordo com a Sociedade Americana de Engenheiros Civis, um sistema como esse pode ser uma importante medida de segurança, além de ajudar na triagem dos esforços de reparo e manutenção.

O sistema, que mede a deformação da ponte e funciona continuamente com energia fotovoltaica, foi revelado em uma edição recente do IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics em um artigo de autoria dos pesquisadores do Drexel College of Engineering, Ivan Bartoli, PhD, Mustafa Furkan , PhD, Fei Lu, PhD, e Yao Wang, estudante de doutorado na faculdade.

"Com tanta infra-estrutura envelhecida como existe nos EUA, precisamos de uma maneira de ficar de olho nesses ativos críticos 24 horas por dia, 7 dias por semana", disse Bartoli, que lidera a Intelligent Infrastructure Alliance no College of Engineering. “Esta é uma necessidade urgente, não apenas para evitar falhas calamitosas e muitas vezes trágicas, mas para entender quais pontes devem ter prioridade para manutenção e substituição, para que possamos abordar de forma eficiente e sustentável a preservação e melhoria de nossa infraestrutura”.

Mais de 40% das 617.000 pontes da América têm mais de 50 anos. Ao mesmo tempo em que são feitas para durar, também precisam ser inspecionadas regularmente – a cada dois anos, segundo Bartoli, professor do Departamento de Engenharia Civil, Arquitetônica e Ambiental da faculdade. A prática atual é fazer uma inspeção visual e, em casos raros, monitorar apenas as pontes consideradas “estruturas problemáticas”, disse.

Mas o número de pontes que requerem atenção está crescendo, de acordo com o "Report Card for America's Infrastructure" da ASCE. Um sistema como o da Drexel poderia ajudar agências federais e inspetores a enfrentar o desafio e reduzir a necessidade geral de inspeções à medida que novas pontes são construídas.

Seu sensor de deslocamento sem fio consiste em uma célula solar fotovoltaica, um dispositivo de medição de deformação - chamado potenciômetro de deslocamento - e um transceptor de interface de monitoramento. Todos os três são montados na ponte para fazer medições contínuas de sua deformação à medida que o tráfego passa por ela e transmitir essas informações para uma estação de monitoramento remoto.

O potenciômetro de deslocamento é um dispositivo pequeno, robusto e leve que é montado na viga da ponte. Ele mede o deslocamento, ou movimento da viga, à medida que a ponte se deforma temporariamente quando os veículos passam por ela. Mudanças neste padrão de deformação podem ser um indicador precoce de problemas estruturais.

Como o sistema consome energia de uma célula solar e de uma bateria de reserva, vários potenciômetros podem ser montados na ponte sem fiação. O sistema pode acomodar vários sensores diferentes que monitoram os movimentos da ponte, como aceleração, inclinação e deslocamento, entre outros. A integração de vários tipos de sensores no sistema pode fornecer uma imagem mais completa da integridade da ponte.

"A grande vantagem desse sistema é a remoção de centenas, e às vezes milhares, de metros de cabos que são caros, podem ser danificados, exigem cuidados durante a instalação e aumentam o custo geral do sistema de detecção", disse Bartoli. "A outra vantagem é que, com uma plataforma sem fio, podemos ler simultaneamente muitos tipos diferentes de sensores, não apenas deslocamentos, mas também acelerômetros, medidores de inclinação e medidores de tensão."

Uma equipe de engenheiros elétricos do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Drexel projetou a fonte de alimentação do sistema e o otimizou para resistência e durabilidade em todos os climas. Ele inclui uma célula fotovoltaica de 21,8 por 35 centímetros, 10 watts e uma bateria de íons de lítio de 14,8 volts de grande capacidade para armazenar e desembolsar a energia que coleta. Eles o testaram em um laboratório e ao ar livre no meio do inverno na Pensilvânia, para garantir que ele pudesse continuar a fornecer energia durante as condições climáticas mais desafiadoras.