The MetaMorph Project

Um Sistema de Gestão de Obras de Arte (SGOA) é uma ferramenta de apoio à decisão que, depois de sistematizar os dados, recorre a modelos matemáticos para fazer previsões e recomendações de apoio à decisão (FHWA, 2010). Um SGOA deve incluir procedimentos para coleta, processamento e atualização de dados; previsão da deterioração; identificação de alternativas de ação; previsão de custos; determinação de políticas ótimas; previsão das necessidades financeiras a curto e longo prazo e recomendação de planos de ação que tenham em conta as limitações políticas e orçamentais (Cruz, 2006b; FHWA, 2010).

2.1.1. Enquadramento histórico

O impulsionamento da implementação dos Sistemas de gestão de obras de arte está associado ao colapso que ocorreu em 1967 da Silver Bridge nos Estados Unidos da América (EUA), na altura com 40 anos, que causou a morte de 46 pessoas (SMALL, PHILBIN et al.). Esse acidente levou o Ministério dos Transportes dos EUA, em conjunto com a Associação Americana de Transportes (AASHTO), à publicação no ano de 1971 das Normas Americanas para a inspeção de pontes (NBIS – National Bridge Inspection Standards) e à criação de uma base de dados nacional (NBI – National Bridge Inventory).

De facto, acidentes como esse e outros referidos a título de exemplo na Tabela 2.1, têm um enorme impacto sobre as populações e acabam por impulsionar novos desenvolvimentos na área da gestão de pontes.

Tabela 2.1 – Colapsos de pontes (Singh; Trindade; Poças, 2009; Figueiredo, 2010; Carter, Brumfield et al., 2013)

Ano País Ponte Mortes Causa provável

1967 USA Silver Bridge (pontes suspensa com cerca de 40 anos)

46 Secção insuficiente e corrosão

1978 França Ponte Wilson sobre o Loire (arcos de alvenaria)

Infraescavação

1983 USA Ponte do rio Mianus Fadiga do aço e ligações metálicas 1987 USA Ponte Schoharie Creek e outras Infraescavação

1994 Coreia do Sul Ponte Seongsu 31 Problemas nas ligações soldadas 1999 China Ponte arco-íris (pedonal) 49 Abandono e falta de qualidade do aço 2001 Portugal Ponte Hintze Ribeiro 59 Infraescavação

2006 Canadá PS Concorde Boulevard 5 Rotura por corte num apoio 2007 USA Ponte Minneapolis I-35W 12 Capacidade resistente insuficiente 2012 China Viaduto de acesso à ponte

Yangmingtan, sobre o rio Songhua

Subdimensionamento

2013 USA-Canadá Ponte I-5 bridge sobre o rio Skagit Impacto de um veículo pesado

A Figura 2.1 mostra a distribuição por ano e por modo de rotura das cerca de 500 pontes que ruíram nos EUA entre os anos de 1989 e 2000. Essas pontes tinham uma idade média de 52,5 anos, mas com uma gama de variação das suas idades entre 1 e 157 (Wardhana & Hadipriono, 2003). O pico de colapso verificado em 1989 esteve sobretudo relacionado com o sismo de Loma Prieta e os picos relativos aos ano de 1993 e 1996 estiveram sobretudo relacionado com fenómenos hidráulicos associado a inundações, como as verificadas nas zonas dos rios Mississippi e Missouri. Na verdade, o colapso associado a fenómenos hidráulicos, apresenta-se nessa figura como sendo muito mais preponderante que os restantes.

Figura 2.1 – Colapso de pontes nos EUA (Wardhana & Hadipriono, 2003) 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 120 100 80 60 40 20 0 N úm er o d e p on te s

Mais tarde, a partir dos anos 80, o advento informático proporcionou a passagem dos Sistemas de Gestão de Obras de Arte do papel para os computadores, com vantagens nomeadamente ao nível do desenvolvimento do processamento dessa informação (Ryall, 2001). No início dos anos 90 foram implementados dois programas comerciais para gestão de pontes que ainda hoje são os mais usados nos Estados Unidos da América - o Pontis e o Bridgit (SMALL, PHILBIN et al.).

Nos anos seguintes a investigação na área continuou a ser bastante intensa, não só na América do Norte como também na Europa. Atualmente os Sistemas de Gestão de Obras de Arte são instrumentos reconhecidos como fundamentais para garantir a segurança e funcionalidade de um parque de obras de arte, desde a conceção das obras até ao final das suas vidas úteis.

Os sistemas de gestão têm vindo a ser desenvolvidos em diversos países e por entidades diversas, desde as próprias entidades gestoras, a outras empresas do setor dos transportes, a laboratórios, a centros de investigação e ainda a instituições universitárias, sendo por vezes enquadrados em projetos de investigação multinacionais. As metodologias adotadas pelos diferentes sistemas de gestão, bem com a sua estruturação e as suas funcionalidades, são assim muito diversificadas, nomeadamente em resultado da diversidade dos próprios parques de pontes, dos países envolvidos e do tipo de entidades que os desenvolve.

Importa ainda referir que em paralelo com os Sistemas de Gestão de Pontes começam também a aparecer Sistemas de Gestão das Vias, quer associados às redes rodoviárias, quer associados às redes ferroviárias. Relativamente às redes rodoviárias, pode referir-se o exemplo do sistema desenvolvido para as Estradas de Portugal (Picado-Santos, Ferreira et al., 2006) e relativamente às vias ferroviárias o sistema desenvolvido para a REFER (Caetano & Teixeira, 2011). Os sistemas desenvolvidos especificamente para as vias, por envolverem o tratamento de um número muito mais restrito de parâmetros, conseguem em geral atingir maiores níveis de desenvolvimento. No futuro é até desejável que os Sistemas de Gestão de Pontes venham a poder ser interligados de alguma forma com os sistemas de gestão de vias em que as mesmas se inserem, constituindo assim sistemas de gestão integrados das redes viárias. Esses sistemas serão de grande importância para Portugal, onde as vias de comunicação representam um importante ativo, nomeadamente por poderem ajudar a assegurar os níveis de desempenho desejáveis otimizando o investimento a realizar nas mesmas ao longo do tempo.

2.1.2. Projetos de investigação na área da gestão de pontes

Dada a grande abrangência da temática da investigação na área da gestão de pontes, os grandes projetos de investigação acabam por assumir um papel muito relevante, por permitirem integrar

estudos relativos às suas diversas vertentes. Para dar uma panorâmica mais abrangente do estado da arte relativo a estas questões, neste ponto é feita uma apresentação dos projetos de investigação mais recentes na área da gestão de pontes, que de alguma forma têm vindo a tentar uniformizar as principias linhas de orientação relativamente a essa matéria. Paralelamente a esses projetos há no entanto vários outros trabalhos de investigação desenvolvidos na área da gestão de pontes, a que se fará também referência ao longo deste e de outros capítulos.

Nos últimos anos foram vários os projetos de investigação internacionais desenvolvidos na área da gestão de pontes, nomeadamente com o intuito de divulgar, uniformizar e depois generalizar quer os melhores trabalhos de investigação quer as melhores práticas de gestão relativamente a esse tipo de infraestruturas. Como exemplo de grandes projetos de investigação desenvolvidos nos Estados Unidos da América, um dos países propulsores da investigação na área da gestão de pontes, podem referir-se os estudos desenvolvidos pelo NCHRP – National Cooperative Highway Research Program. Os seus trabalhos mais recentes na área são relativos a custos de ciclo de vida (Hawk, 2003), à otimização multiobjectivo para sistemas de gestão de pontes (Patidar, Labi et al., 2007) e ao apoio à tomada de decisão das administrações de pontes (Markow & Hyman, 2009). Nesses trabalhos a previsão da degradação é feita por elemento, a partir de Matrizes de Markov, e as metodologias para seleção das melhores soluções são desenvolvidas a partir de uma análise multicritério e de métodos heurísticos de otimização como os algoritmos genéticos e as redes neuronais. Esses projetos referem tanto os custos diretos de administração, desde a fase de projeto até à fase operacional, como os custos de vulnerabilidade e do utilizador.

Nos últimos anos a Europa tem também vindo a promover vários projetos de investigação, multinacionais, na área da gestão de obras de arte. A Tabela 2.2 descreve sucintamente alguns dos principais projetos desenvolvidos nessa área ao longo dos últimos anos, a que se fará em seguida uma breve referência.

Tabela 2.2 – Projetos de investigação europeus (ISISE; Woodward, Cullington et al., 2001; Jordan & Znidaric, 2004; SB, 2007b; Jutila & Sundquist, 2007; UIC, 2010; Salta, 2011)

Designação Data

Entidades Obras visadas Objetivos e principais temáticas abordadas

BRIME Bridge Management in Europe 1998 - 1999 TRL (UK) BAST (Alemanha) CEDEX (Espanha) LCPC (França) NPRA (Noruega) ZAG (Eslovénia) Sistemas de Gestão de Obras de Arte associadas a redes rodoviárias

Classificação das componentes das obras. Avaliação da capacidade de carga e fiabilidade estrutural. Implementação de monitorização e inteligência artificial.

Análise de custo-benefício no âmbito da decisão.

COST345

1999-2003

Diversos países

europeus Pontes, túneis e muros de suporte a funcionar em vias rodoviárias

Inspeção, avaliação, manutenção e reparação. Caracterização dos parques de pontes rodoviárias europeias

Avaliação dos custos e receitas de utilização da gestão de obras de arte (manutenção, inspeção, reconstrução).

LIFECON 2001-2003 Finlândia Noruega Alemanha Estruturas de betão como pontes e túneis

RAMS - Reliability, Availability, Maintainability, Safety. Exigências humanas, económicas, culturais e ecológicas. Necessidades de manutenção, reparação e modernização. Gestão de ciclo de vida de infraestruturas de betão.

Sustainable Bridges 2003-2007 Universidades, administrações e consultores (inc. Portugal) Pontes

ferroviárias Inspeção, ensaio, monitorização e conservação. Alargar a vida útil das pontes existentes.

Melhorar os sistemas de reparação e reforço de pontes. Aumentar a capacidade de carga e a velocidade de circulação na rede ferroviária europeia.

ETSI 2006-2012 Finlândia Noruega, Suécia Dinamarca Pontes

rodoviárias Custo de ciclo de vida de pontes. Custos ambientais.

Valor estético e cultural das pontes.

InnoTrack 2006-2010 Donos de obras, indústrias e universidades Infraestruturas

ferroviárias Diminuir os custos do ciclo de vida (em cerca de 30% até ao ano de 2020) e aumentar o RAMS (Reliability, Avalilability, Maintainability and Safety).

DuratiNet 2007-2013 Administrações, universidades e laboratórios da Europa Atlântica (inc. Portugal) Infra-estruturas de transportes no Espaço Atlântico (estruturas metálicas e em betão)

Durabilidade das infraestruturas de transportes. Degradação dos materiais estruturais em regiões costeiras.

Base de dados (materiais, danos, processos de deterioração, técnicas de inspeção e de reabilitação).

SBRI 2009-2012 Administrações, universidades e laboratórios (inc. Portugal)

Pontes metálicas Lifecycle Assessment – avaliação de ciclo de vida. Lifecycle Cost – custos de ciclo de vida.

Um dos primeiros grandes projetos europeus sobre a gestão de pontes rodoviárias foi o projeto BRIME (Bridge Management in Europe) onde foram realizados inquéritos para análise e comparação dos Sistemas de Gestão de Obras de Arte (SGOAS) dos países participantes, de outros países europeus e ainda de outros países experientes na área - EUA, Canadá e Japão (Godart & Vassie, 2001). Este projeto, de que resultaram orientações para desenvolvimentos futuros no âmbito da gestão de pontes, visou preparar um sistema único para toda a Europa, baseado na classificação das componentes das obras a partir das inspeções e da avaliação da capacidade de carga da obra. Para apoio à decisão o BRIME propõe uma análise de custo-benefício, efetuada com recurso a inteligência artificial, a modelos de degradação e a técnicas de avaliação da fiabilidade das estruturas (Woodward, Cullington et al., 2001). As análises apresentadas podem ser realizadas ponte a ponte e para alguns conjuntos de pontes, tendo em conta algumas restrições globais. A escolha da melhor técnica de reparação é feita por comparação das diferentes alternativas, a partir do quociente entre o custo de atuação e o custo da não atuação, considerando nessa estimativa custos de administração, custos de rotura e custos dos utilizadores.

Ainda no âmbito das pontes de redes rodoviárias, o projeto COST345 fez a descrição dos procedimentos de inspeção, avaliação, manutenção e reparação das pontes rodoviárias de vias locais, regionais e nacionais em funcionamento nos 27 países da Europa (Jordan & Znidaric, 2004). No âmbito do projeto foi realizado um inquérito para caracterização estatística desses parques de pontes rodoviárias europeias e para avaliar custos associados à sua gestão. A partir dos resultados desses inquéritos o projeto permitiu, para além da caracterização dessas obras de arte, uma quantificação dos custos associados a várias tarefas que podem ajudar a mensurar os custos diretos associados à realização de intervenções de manutenção e reparação. No entanto, para além dos custos das administrações, o programa refere ainda os custos de rotura, residuais e dos utilizadores.

O projeto com a designação abreviada de LIFECON, correspondente a Life Cycle Management of Concrete Infrastructures for Improved Sustainability, surgiu para fazer face às necessidades crescentes de manutenção, reparação e modernização de estruturas de betão como pontes e túneis. Nesse projeto a escolha do melhor plano de intervenção é feita a partir dos resultados obtidos para os custos de ciclo de vida de um elemento, ponte ou rede que são estimados para cada uma das políticas de atuação que se decidirem estudar (Vesikari, 2003; Sarja, 2004). Para o efeito são consideradas matrizes de Markov estacionárias, associados por exemplo à corrosão das armaduras do betão armado devido à carbonatação e à ação dos cloretos. Os tipos de intervenções equacionados são, por exemplo, a proteção anticorrosiva, a reparação, a reabilitação e a substituição, para além da não atuação. O tipo de intervenção é escolhido em primeiro lugar a partir de árvores de decisão, tendo em conta o tipo de material, o estado de

condição e a idade para além de, eventualmente, alguns resultados de ensaios experimentais. Posteriormente são consideradas diferentes políticas de atuação possíveis, definidas pela realização de intervenções de reparação sempre que o estado de condição atingir um determinado nível ou uma determinada probabilidade de aí estar. Os custos dessas várias políticas de atuação, estimados a partir de tabelas de custos e rendimentos de um conjunto de tarefas, tendo em conta a duração de cada uma das atuações, são avaliados no âmbito de uma análise multicritério para elaborar um ranking das melhores soluções de atuação. Nessa análise multicritério, para além dos critérios económicos (custos de manutenção e de aquisição), são também considerados critérios humanos (velocidade máxima, ruído e outras questões relacionadas com o conforto), culturais e ecológicos (recursos energéticos, poluição e reciclabilidade dos materiais) (Lair, Sarja et al., 2004). Um dos problemas da análise proposta no LIFECON é a não determinação simultânea dos instantes e tipos de intervenção que conduzem ao planeamento com menor custo de ciclo de vida, questão que se pretende ultrapassar com o Sistema de Gestão que será apresentado.

No seguimento do projeto anterior, o projeto ETSI faz uma análise de custo de ciclo de vida de pontes desde a construção até ao fim da vida útil das obras de arte, considerando para além dos custos de administração os custos dos utilizadores, ambientais e estético-culturais (Sundquist & Karoumi; Torkkeli & Piispanen, 2012). O projeto considera que as intervenções de reparação são implementadas com uma determinada periodicidade que refere como sendo o mais difícil de determinar e por isso reconhece que a maior incerteza deste tipo de análise está associada à previsão da degradação (Sundquist & Karoumi). No entanto, o ETSI também adota uma previsão de degradação de estruturas de betão baseada no modelo químico de degradação que também é usado no âmbito do projeto LIFECON, mas refere que para outro tipo de materiais e estruturas é necessário mais investigação (Jutila & Sundquist, 2007). A partir das matrizes de degradação de Markov e dos modelos de custos, o projeto faz a comparação de diferentes estratégias de atuação. No projeto ETSI são propostas folhas de cálculo para fazer a estimativa dos custos da entidade gestora (construção, inspeção, manutenção, reparação e alienação), do utilizador e ainda ambientais e estético-culturais associados a cada uma das pontes. No entanto, o cálculo efetuado envolve a estimativa de quantidades associadas a um conjunto de tarefas que podem ser implementadas num determinado tipo de intervenção, tarefa que, tendo que ser feita muito tempo antes, se pode tornar bastante especulativa. Tal como no LIFECON, este projeto também não apresenta otimização simultânea do tipo e do instante de intervenção. Para além disso, o projeto ETSI apresenta resultados para cada uma das obras de arte não fazendo uma análise de um conjunto de pontes.

Já no âmbito das pontes ferroviárias, pode destacar-se o Projeto Sustainable Bridges, onde Portugal esteve representado pela Universidade do Minho. No âmbito desse projeto foi estudada a

prática corrente em termos de inspeção, ensaio, monitorização e conservação das pontes ferroviárias de diversos países europeus, tendo sido designadamente apresentados trabalhos na área da avaliação probabilística da segurança de pontes a partir de resultados obtidos em ensaios e monitorização. Esse projeto foi financiado pela União Europeia com o objetivo de identificar os meios necessários para que em 2020 se conseguisse alargar a vida útil das pontes existentes e melhorar os sistemas de reparação e reforço de pontes, de forma a conseguir aumentar a capacidade de carga para 33 toneladas por eixo em transporte de mercadorias e a velocidade de circulação na rede ferroviária europeia para 350 km/h no transporte de passageiros (Poças, 2009).

Ainda no sector ferroviário, o projeto europeu InnoTrack, reuniu gestores de infraestrutura, indústrias ligadas ao sector e instituições académicas de diversos países com o objetivo de divulgar tecnologia e encontrar soluções inovadoras que permitissem diminuir os custos do ciclo de vida em cerca de 30% até ao ano de 2020, aumentando a performance das infraestruturas ferroviárias - aumentando o tráfego, diminuindo os tempos de viagem, reduzindo níveis de poluição sonora e aumentando a segurança. O Innotrack teve como principal objetivo a redução do CCV (Custo de ciclo de vida) e o aumento do RAMS (Reliability, Avalilability, Maintainability and Safety). O projeto considera as variáveis com incertezas definidas através de funções probabilidade de distribuição e depois faz uma análise probabilística dos resultados com recurso ao Método de Monte Carlo. Os trabalhos apresentados no âmbito do InnoTrack consideram nomeadamente os custos de investimento inicial, da fase operacional, residuais, de reciclagem, de utilização e de indisponibilidade. Este projeto não é específico de pontes, mas refere que a análise das mesmas deve ser feita de forma a poder depois ser enquadrada no âmbito de uma análise de rede do tipo da apresentada neste projeto.

DuratiNet é a designação de uma rede transnacional para promover a durabilidade das infra- estruturas de transportes no Espaço Atlântico e foi aprovada no âmbito do Programa Transnacional Espaço Atlântico. A DuratiNet é liderada pelo LNEC e envolve várias outras entidades portuguesas: EP, REFER, BEL (empresa de engenharia), APL (Portos de Lisboa) e Fundo para o desenvolvimento das ciências de construção. O principal objetivo da DuratiNet é a constituição de uma plataforma para a transferência de conhecimentos na área da durabilidade das infraestruturas de transportes, em particular no que respeita à manutenção e reparação de danos devidos a degradação dos materiais estruturais em regiões próximas da costa atlântica. Um dos resultados esperado é a construção de uma base de dados DB-DURATI com toda a informação existente nestas matérias, que possa continuar a ser atualizada mesmo após conclusão do projeto. Para além disso, o Duratinet pretende apresentar manuais com recomendações técnicas para estruturas metálicas e de betão armado relativas a técnicas de diagnóstico, tipos de danos, processos de deterioração, técnicas de inspeção e de reabilitação. Os dados podem ser recolhidos

de estruturas nas regiões atlânticas, bem como noutras regiões e ainda de estudos realizados à escala piloto, relativos à durabilidade dos materiais, desde que sejam realizados em exposição natural. A base de dados deverá reunir dados de desempenho dos materiais estruturais e de reparação, com vista à calibração e aferição de modelos de previsão da vida útil dos materiais, para auxiliar os gestores das infraestruturas na tomada de decisão relativas à manutenção das estruturas. A gestão das estruturas também será abordada, referindo nomeadamente alguns modelos de degradação e algumas metodologias de quantificação dos custos associados às intervenções em fase de serviço (O'Conner, Schoefs et al., 2012).

O projeto SBRI (Sustainable Steel-Composite Bridges in Built Environment) tenta apontar os benefícios das pontes metálicas do ponto de vista da sua sustentabilidade a partir de análises de custo de ciclo de vida (LCCA - Life Cycle Cost Analysis), do impacto ambiental do ciclo de vida (LCEA - Life Cycle Environmental Analysis) e do impacto social do ciclo de vida (LCSA - Life Cycle Social Analysis) (ISISE; Gervásio, Silva et al., 2012).

Para além dos projetos anteriores mencionados na Tabela 2.2, pode ainda fazer-se referência a alguns outros projetos europeus, que de alguma forma também se encontram relacionados com esta área de investigação. O projeto ARCHES (Assessment and Rehabilitation of Central European Highway Structures) foi desenvolvido entre os anos de 2006 e 2009, para tornar mais eficiente a inspeção e a intervenção nas pontes, especialmente as localizadas nos países da Europa Central e do Leste, pelo que o seu relatório final apresenta sobretudo tópicos relacionados com a inspeção e avaliação de pontes, prevenção da corrosão e reforço do betão com materiais compósitos de elevada performance (Wierzbicki, 2009; Wierzbicki, 2010). A rede temática de transferência de tecnologia designada por SAMCO (Structural Assessment, Monitoring and Control), que teve início