Rvt2-grupo[9]

Mestrado de Engenharia Civil

Instrumentação e Observação de Obras

Alexandre Catanho Gilberto Laranja Roberto Côrte

VISITA TÉC$ICA AO AEROPORTO DA MADEIRA RELATÓRIO

Professora Eliane Portela 2008/2009

Alexandre Catanho, Gilberto Laranja, Roberto Côrte

RESUMO Neste relatório da visita técnica ao Aeroporto da Madeira faz uma abordagem dos aspectos estruturais e soluções estruturais adoptadas para a concepção da mega estrutura. A nível de Instrumentação e Observação de Obra o relatório aborda a instrumentação introduzida na estrutura para uma observação, manutenção e controle de segurança a longo prazo. É também apresentado os ensaios de carga realizados antes da abertura ao tráfego para averiguação das características globais da estrutura.

Palavras-chave: Instrumentação, Aeroporto da Madeira, Ensaios de Carga, Observação de Obras, Obras em Ambiente Marítimo

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LISTA DE FIGURAS Figura 1:Cabeceira 06,Santa Cruz. ............................................................................................. 2 Figura 2: Cabeceira 24, Machico................................................................................................ 2 Figura 3- Perspectiva dos cabos de pré-esforço da laje. ............................................................. 3 Figura 4- Maciço de encabeçamento de uma das fundações. ..................................................... 4 Figura 5- Exemplo de uma das disposições dos camiões no ensaio estático. ............................ 5 Figura 6- Deformada da laje provocado pela posição 4E (mm). ................................................ 5 Figura 7- Deslocamentos relativos na secção S43 (x10-6), pilar 25 ........................................... 6 Figura 8- Instrumentação do ensaio da libertação do peso, na 2ª fase da extensão da estrutura. ............................................................................................................................................ 6 Figura 9- Resultado da medição da aceleração da estrutura....................................................... 6 Figura 10 - Medição do Espectro. .............................................................................................. 7 Figura 11- Retracção e fluência do betão observados in sito, secção S15. ................................ 7 Figura 12- Planta geral de localização da instrumentação. ........................................................ 8 Figura 13 - Secções Instrumentadas no pórtico P25 .................................................................. 8 Figura 14- Localização dos extensómetros S43. ........................................................................ 9 Figura 15 - Localização da instrumentação na secção S50 e S84L da laje. ............................... 9 Figura 16 - Localização dos termómetros dentro da secção S43. ............................................ 10 Figura 17 - Planta de localização da instrumentação do sistema de monitorização da corrosão. .......................................................................................................................................... 11 Figura 18 - Exemplo de aplicação dos sensores antes da betonagem. ..................................... 11 Figura 19 - Aplicação de sistema de monitorização da corrosão num pilar. ............................ 12

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LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS RAM: Região Autónoma da Madeira LNEC: Laboratório Nacional de Engenharia Civil ANAM: Empresa Pública Aeroportos e Navegação Aérea da Madeira

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Í$DICE 1. Introdução….........................................................................................................................1 1.1. DELIMITAÇÃO DO TEMA......................................................................................................................... 1 1.2. OBJECTIVOS .................................................................................................................................................. 1 2- ASPECTOS ESTRUTURAIS .......................................................................................................................... 1 2.1. 1ª FASE............................................................................................................................................................ 1 2.2. 2ª FASE............................................................................................................................................................ 2 2.3. SOLICITAÇÕES DE DIMENDIONAMENTO ........................................................................................................ 4 3 - OBSERVAÇÃO DO COMPORTAME$TO ESTRUTURAL ..................................................................... 5 3.1. E$SAIOS DE CARGA .................................................................................................................................. 5 3.1.1. E$SAIO ESTÁTICO .................................................................................................................................. 5 3.1.2. E$SAIO DI$ÂMICO ................................................................................................................................. 6 3.1.2.1. CIRCULAÇÃO DE CAMIÕES CARREGADOS ................................................................................. 6 3.1.2.2. LIBERTAÇÃO SÚBITA DE UM PESO ................................................................................................ 6 3.1.3. E$SAIO PRISMAS COMPE$SADORES TERMO-HIGROMÉTRICOS E DE FLUÊ$CIA ........... 7 3.2. E$SAIO DE PULSO ULTRA-SÔ$ICO $AS ESTACAS MOLDADAS .................................................. 7 CO$CLUSÃO ....................................................................................................................................................... 7 3.3. OBSERVAÇÃO A LO$GO PRAZO ........................................................................................................... 8 3.3.1. OBSERVAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS MECÂ$ICAS ESTRUTURAIS .................................... 9 3.3.2. CO$DIÇÕES AMBIE$TAIS .................................................................................................................... 9 3.3.3. OBSERVAÇÃO QUALITATIVA DO BETÃO...................................................................................... 10 3.3.3.1SISTEMA DE MO$ITORIZAÇÃO PARA A CORROSÃO DO BETÃO. ........................................ 10 CO$CLUSÃO ..................................................................................................................................................... 12 5 - CO$CLUSÕES .............................................................................................................................................. 12 REFERÊ$CIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................................... 12

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1. Introdução 1.1. Delimitação do Tema A visita técnica ao Aeroporto da Madeira contou com uma pré-apresentação, leccionada pelo Eng.º Carlos Ferreira Pinto (ANAM) e pela Eng.ª Elsa Franco, onde foi abordada a história do nascimento do Aeroporto na ilha da Madeira, bem como a descrição e evolução da estrutura da pista actual. De seguida, foi feita uma visita guiada quer sobre a pista, quer debaixo da pista, de modo a obtermos uma noção das dimensões estruturais da mesma, bem como visualizar alguns pormenores estruturais. No seguimento da visita supracitada, foi-nos possibilitada uma visita extra, a título de curiosidade, às instalações destinadas a Socorros a Náufragos (futura sede de controlo da Rede Salva-Vidas da R.A.M.).

1.2. Objectivos O primordial objectivo da visita de estudo baseou-se na busca de conhecimento acerca da Instrumentação utilizada na estrutura do aeroporto, bem como da consequente Observação do seu comportamento estrutural, quer no processo construtivo, quer na manutenção da estrutura no seu tempo operacional. No entanto, como não houve possibilidade de nos conceder essa informação por completo, ficamos apenas com alguns dados sobre essa questão. Assim, a visita centrou-se fundamentalmente em outros aspectos úteis ao nosso conhecimento, designadamente à abordagem das características estruturais da pista, bem como dos processos de construção da mesma.

2- Aspectos Estruturais 2.1. 1ª Fase Datada de 1978 e inaugurada em 1986, esta fase foi denominada de “Projecto Segurança”. Consistiu em estender ambas as extremidades da pista, de modo a aumentar a pista de 1600 metros para 1800 metros.

Pormenores estruturais da 1ª Fase: No lado de Santa Cruz (Zona de Cabeceira 06, Fig. 1) foram aumentados 50 metros à pista, com auxílio de um, na altura chamado de, “Muro de Gigantes”. Sendo concebido para suportar um volume de aterro de 400 000 m3, é uma estrutura em betão armado constituída por um conjunto de abóbadas inclinadas e continuas em vãos de 25 metros e apoiadas em contrafortes de geometria triangular; No lado de Machico (Zona de Cabeceira 24, Fig. 2) foram aumentados 150 metros à pista, com o auxílio de uma estrutura de betão armado de 58 metros de altura e 18 000 m2 de área. Tratavase de uma estrutura de laje trapezoidal pré-esforçada, apoiada numa sucessão de pórticos de betão armado que distam 32 metros entre cada um, com um conjunto de 14 pilares ao todo, e de um muro de suporte que faz a transição da pista sobre o solo para a pista sobre a pista sobre a estrutura supracitada.

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Figura 1:Cabeceira 06,Santa Cruz.

Figura 2: Cabeceira 24, Machico. Com esta estrutura, o aeroporto passou a suportar quase todo o tipo de aeronaves de médio curso.

2.2. 2ª Fase Adjudicada em 1994 a um consórcio, esta fase baseou-se em parte nas soluções do “Projecto de Segurança” (1986) de modo a obter uma configuração quase idêntica à da 1ª fase de ampliação da pista, sendo projectada por uma equipa liderada pelo Eng.º António Segadães Tavares. Efectuada no lado de Machico, esta fase acabou por ser subdividida em outras duas fases de construção (sem contar com uma terceira, respeitante à gare, curiosamente), tendo terminado as obras em Setembro de 2000. Assim proporcionou-se um aumento aproximado de 800 metros no comprimento da pista do aeroporto, somando um total de 2 781 metros. Pormenores estruturais da 2ª Fase:

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A par do processo construtivo, refere-se curiosamente que o material do desmonte efectuado no talude lateral à pista antiga foi utilizado para aterrar a baía que acolhe a super estrutura da 2ª ampliação do Aeroporto, numa área de 120 000m2, aproximadamente; A super estrutura caracteriza-se por um conjunto de 35 pórticos orientados transversalmente ao eixo da pista e distanciados 32 metros entre si. Cada pórtico contém no geral, 6 pilares, suportando as travessas que se prolongam por consolas de 14,5 metros de balanço, em ambas as extremidades da pista (Norte e Sul); O tabuleiro da pista é realizado por uma laje de ± 180 metros de largura e de espessura variável. A laje foi construída com betão armado em pré-esforço típico (construção da laje, Fig. 3) e assenta nas travessas dos pórticos; As travessas dos pórticos designam-se por “vigas carlinga” e têm formato em “I” aproximado, tendo uma altura variável entre o meio vão/extremidade das consolas e a zona de apoio sobre os pilares. Sobre os pilares a existência de uma curva de transição evita pontos angulosos sobre os mesmos; Os pilares de secção circular de 3 metros de diâmetro, são construídos em betão armado e constam de alturas que rondam os 50 metros sobre o aterro marítimo e alturas menores à medida que se avança em direcção à falésia do lado Norte da pista; A super estrutura está separada por mais do que uma junta dilatação, sendo uma delas a que separa a estrutura da ampliação das estruturas em terra, garantindo assim uma eventual reacção sísmica independente aos dois tipos estruturais. As juntas de dilatação têm fundamental desempenho a nível de variações térmicas, retracção e fluência do betão; Quanto às fundações, Figura. 4, há três tipos diferentes. Na presença de solos basálticos altamente compactos, optou-se por fundações directas (sapatas). No caso do aterro marítimo, a solução baseou-se em fundações indirectas constituídas por estacas de betão armado moldadas “in situ”, e quando sobre a falésia onde o solo apresente tufos vulcânicos não consolidados, optaram também por fundações indirectas, mas constituídas por estacas metálicas. No geral, as fundações agrupam-se em grupos de 8 e/ou 12 estacas de betão armado (dependendo do seu diâmetro), atingindo uma profundidade de 60 metros, em alguns casos.

Figura 3- Perspectiva dos cabos de pré-esforço da laje.

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Figura 4- Maciço de encabeçamento de uma das fundações.

2.3. Solicitações de Dimendionamento Principais solicitações consideradas no dimensionamento da super estrutura: Cargas Permanentes: foram constituídas pelo peso próprio de estrutura e por todos os outros elementos fixos nela existentes. O peso volúmico do betão armado, dada a sua composição com inertes basálticos, foi fixado em 27 kN/m3; Cargas Variáveis: foi utilizada uma sobrecarga característica correspondente ao peso máximo do avião BOEING 747-400, cujo trem de aterragem consiste em quatro conjuntos de quatro rodas cada, com um peso máximo de 3960 kN. Foram considerados os respectivos coeficientes dinâmicos referentes à pista, às raquetes e as margens; Acções Sísmicas: foi encomendado um estudo de sismicidade especial de modo obter dados sobre a magnitude dos sismos naquela zona; Acção do Vento: satisfez a regulamentação aplicável, sendo classificada de pouco significativa; Acção do Pré-esforço: satisfez a verificação para a abertura máxima de fendas de 0.1 milímetros para os estados limites de serviço, no que toca às combinações raras, e a descompressão para os estados limites de serviço, no que toca às combinações frequentes; Acção das Variações de Térmicas: foi feito um estudo especial para quantificação dos valores da temperatura em ambas as faces da laje do tabuleiro e a respectiva variação ao longo da espessura da mesma; Retracção Termo-higrométrica e Fluência: satisfez a regulamentação aplicável, bem como as condições ambientais envolventes; Assentamentos Diferenciais: foram conjugados em função das variações máximas da deformação das fundações de elementos vizinhos.

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3 - Observação do comportamento Estrutural 3.1. Ensaios de carga Os ensaios de cargas foram efectuados, antes da abertura ao tráfego, em ambas as extensões em Março de 2000 para observação do comportamento real da estrutura e compara-los com os modelos numéricos elaborados em projecto. Para estes ensaios foram adicionados equipamentos de monitorização adicionais nomeadamente medidores de deslocamentos e de acções dinâmicas. Foram efectuados dois ensaios de carga, ensaio estático com cargas simuladas por camiões e ensaio dinâmico. 3.1.1. E nsaio estático No ensaio estático formou-se vários posicionamentos dos camiões com peso total de 5900kN na 1ª fase de extensão e 7300kN na 2ª fase de extensão. Estas cargas foram posicionadas de modo a obter a máxima efeito desfavorável para a estrutura. Os resultados dos ensaios estáticos foram interpretados com três dimensões do modelo de elementos finitos. Na Figura 5 está representado uma das combinações de camiões e posicionamento. Figura 6 representa os deslocamentos verticais causados pelo ensaio da posição 4E e a linha dos deslocamentos modelados pelos elementos finitos. Figura 7 mostra os deslocamentos relativos na secção 43, causados pela posição 4E.

Figura 5- Exemplo de uma das disposições dos camiões no ensaio estático.

Figura 6- Deformada da laje provocado pela posição 4E (mm).

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Figura 7- Deslocamentos relativos na secção S43 (x10-6), pilar 25

3.1.2. Ensaio dinâmico A dinâmica da estrutura foi averiguada com 2 tipos de ensaios, com camiões em movimento e libertação súbita de um peso suspenso a meio vão do tabuleiro. Assim registaram-se as características dinâmicas, frequência, modos de vibração, amortecimento da estrutura, aceleração. 3.1.2.1. Circulação de camiões carregados Mesuraram-se as acelerações induzidas pelo movimento dos camiões, utilizaram-se tábuas de ressalto de madeira para provocar maiores vibrações na estrutura. Na aquisição de resultados usaram-se dois aparelhos diferentes, macro-sismógrafos GSR-16 que registou 50Hz e acelerómetros FBA-11 registou 100Hz, registaram-se 30000 e 60000 valores respectivamente num intervalo de 10 min. 3.1.2.2. Libertação súbita de um peso Um peso de 608kN foi suspenso no meio vão da laje. A libertação súbita provocou uma vibração livre na estrutura. O ensaio foi realizado nas duas fases da pista, 1ª fase e 2ª fase, devido a independência da estrutura devido a junta estrutural.

Figura 8- Instrumentação do ensaio da libertação do peso, na 2ª fase da extensão da estrutura.

Figura 9- Resultado da medição da aceleração da estrutura.

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Figura 10 - Medição do Espectro. A figura 8 - indica-nos o posicionamento da instrumentação instalada para o ensaio libertação do peso e mostra a importância de uma boa instrumentação para recolha de bons resultados. Nas figuras 9 e 10 mostra-nos alguns resultados registados no ensaio dinâmico.

3.1.3. Ensaio prismas compensadores termo-higrométricos e de fluência Os prismas compensadores foram executados durante a betonagem das secções correspondentes. Estes foram utilizados para a determinação dos efeitos diferidos do betão, a retracção e coeficiente de fluência. Foi mantido in sito alguns prismas e transportado para laboratório outros equivalentes.

Figura 11- Retracção e fluência do betão observados in sito, secção S15. 3.2. Ensaio de pulso ultra-sônico nas estacas moldadas O ensaio ultra-sônico é realizado com a introdução de ultra sons, gerados por um transdutores, no betão da estaca de modo a que o ultra-som atravesse inteiramente a secção longitudinal da estaca, a obtenção de resultados depende da velocidade de chegada e o tempo de percurso do ultra-som. Estas variáveis não dependem da resistência à compressão do betão mas no entanto depende da massa específica onde podemos achar uma relação de betão e número de vazios, assim pode-se averiguar a qualidade do betão. Também podemos controlar a disposição da armadura da estaca moldada.

Conclusão Durante e após a conclusão de uma obra de esta envergadura é necessário realização de ensaios para averiguar as características globais da estrutura, devera-se observar e seguir protocolos atenciosamente os ensaio, para que os resultados obtidos correspondam à realidade e não sejam distorcidos. Foi dado anteriormente alguns exemplos de resultados, já tratados, dos ensaios realizados em algumas secções e de fases de extensão da pista, estes ensaios poderão servir de referência para futuros ensaios realizados.

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Alexandre Catanho, Gilberto Laranja, Roberto Côrte 3.3. Observação a longo prazo Uma Obra de Arte devido ao seu elevado custo deverá ser bem observada a longo prazo para que o seu tempo de vida seja o mais longo possível. Esta observação a longo prazo é realizada com instrumentação instalada durante ou após a execução da obra para o controlo da sua segurança e funcionamento a médio e longo prazo. Figuras 12 e 13 indica a localização geral da instrumentação a longo prazo instalada na 1ª e 2ª fase de extensão e as juntas estruturais com bases de alongâmetros.

Figura 12- Planta geral de localização da instrumentação.

Figura 13 - Secções Instrumentadas no pórtico P25 No aeroporto da Madeira as observações a longo prazo recaem sobre características do betão, condições ambientais, comportamento estrutural estático, comportamento estrutural dinâmico

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Alexandre Catanho, Gilberto Laranja, Roberto Côrte 3.3.1. Observação das características mecânicas estruturais 3.3.1.1. Para as características do betão observaram-se as tenções, deformações, módulo de elasticidade, retracção (in sito e lab.) e fluência (in sito e lab.). Mensuraram-se estas características com extensómetros com corda vibrante. Na figura _ e _ podemos ver um exemplo da disposição da instrumentação de deformações.

Figura 14- Localização dos extensómetros S43.

Figura 15 - Localização da instrumentação na secção S50 e S84L da laje. 3.3.1.2. Comportamento estrutural estático é observado com a instrumentação de deslocamentos lineares, angulares e extensões. Para a mensuração de deslocamentos lineares usam-se deflectómetros registadores, deslocamentos angulares niveladores geométricos e clinómetros de bolha de ar, pode-se observar um exemplo de localização na figura “do pórtico 25”. 3.2.1.3.No Comportamento estrutural dinâmico são medidas as acelerações e extensões das respostas impulsivas da estrutura. Este comportamento é medido por acelerómetros.

3.3.2. Condições Ambientais As condições Ambientais observadas são temperaturas dentro e fora do betão, humidade, precipitação, radiação solar. A temperatura medida no interior do betão foi mensurada com termómetros de resistência eléctrica. A figura 16 mostra o zonamento dos termómetros no interior do betão.

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Figura 16 - Localização dos termómetros dentro da secção S43. Esta Instrumentação está toda conectada a unidades de aquisição de dados para uma fácil recolha, ao todo existem 10 unidades de “dada loggers”. 3.3.3. Observação qualitativa do betão Devido localização da estrutura num ambiente marítimo é necessário realçar a importância da monitorização da corrosão do betão, para tal desenvolveu-se um Sistema de Monitorização da Corrosão com o objectivo de acompanhar continuamente os progressos da estrutura relativamente à evolução da corrosão no betão armado para podermos quantificar o desenvolvimento das condições de corrosividade no betão ou progressão da corrosão nas armaduras este sistema também permite o acompanhamento dos efeitos de eventuais medidas preventivas executadas ou verificação das eficácias das reparações introduzidas. Este processo de prevenção de corrosão teve inicio com a selecção dos materiais, nas práticas construtivas, no projecto da estrutura (fase de pré construção) para garantir propriedades adequadas na barreira de protecção para as condições de exposição ambiental e tempo de vida útil. A partir deste ponto foi instalado monitorização da corrosão. Definição dos parâmetros de durabilidade para o betão foi permeabilidade ao oxigénio 18x10-8 (m2), absorção capilar 0,23 (g/ cm2), porosidade aberta 12%, carga AASHTO 6500 (c), coeficiente difusão 10x 10-12 (m2 /s), coeficiente carbonatação acelerada 1,2 (mm.d ½) com variações de 15%. A avaliação destes parâmetros foi feita com provetes com composição estabelecida e após colocação em obra em diferentes locais da obra para avaliar a penetração dos cloretos nesses betões ao longo do tempo. 3.3.3.1Sistema de monitorização para a corrosão do betão. A monitorização da corrosão foi instalada com os sensores embebidos no betão. Realizam-se inspecções periódicas. Desenvolvimento do sistema de monitorização teve em atenção: – Optimização e selecção dos parâmetros a monitorizar -potencial de corrosão, Ecorr -velocidade de corrosão, icorr -corrente galvânica de macrocélula, Igal -corrente limite de redução de O2, iO2 -Resistividade do betão - Selecção das zonas a monitorizar - Baseado na caracterização da agressividade ambiental previamente efectuada pelo LNEC - Projecto, construção e calibração dos sensores

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Figura 17 - Planta de localização da instrumentação do sistema de monitorização da corrosão. Na figura “anterior” está indicado a localização da instrumentação onde representa a instrumentação instalada no pórtico 25 em três secções da viga, painel da laje entre pórtico 25 e 26 instrumentação em quatro locais e nos pilares P30.1, P30.2, P33.2, P34.1 em 4 locais em cada pilar a 2 metros do plinto. Usaram-se sensores do tipo de potencial e de corrente de macrocélula.

Figura 18 - Exemplo de aplicação dos sensores antes da betonagem.

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Figura 19 - Aplicação de sistema de monitorização da corrosão num pilar. A aquisição de dados do sistema de monitorização da corrosão do betão é feito por sistemas de aquisição instalados na laje e num pilar para o fácil acesso e registo de dados.

Conclusão O sistema de monitorização da corrosão do betão é muito importante para este tipo de Obra de Arte devido as suas dimensões, uma inspecção manual seria imensamente demorada e de difícil acesso para uma boa observação da estrutura. A localização da obra em ambiente marinho obriga a cuidados redobrados para a protecção das armaduras, principalmente armaduras de pré-esforço que após atingidas por corrosão podem ter uma rotura frágil. O bom planeamento do sistema e bons critérios de qualidades dos materiais são necessários para que todo o processo seja eficaz.

5 - Conclusões Conclusões do trabalho No relatório elaborado para visita técnica ao Aeroporto da Madeira possibilitou-nos um maior conhecimento da instrumentação usada neste tipo de Obras de Arte e a maneira como esta é aplicada e instalada ao longo da estrutura, para um fiel recolhimento de dados das observações efectuadas ao longo do tempo. É de notar a importância da criação de sistemas de monitorização. Seleccionando os pontos estratégicos para a instalação dos equipamentos, normalmente é escolhido zonas criticas ou zonas que à partida sabemos que são as mais solicitadas. Por fim o planeamento do sistema proporciona uma rápida aquisição de dados não despendendo tempo. Os ensaios realizados durante a execução da obra e depois da conclusão da obra antes da abertura ao tráfego deverá ser igualmente bem instrumentados, neste caso houve necessidade de instalação de equipamento adicional para reproduzir resultados fiéis

REFERÊ$CIAS BIBLIOGRÁFICAS - XU, Min; OLIVEIRA, Santos L.; FERNANDES ,Almeida J.- Analysis and Observation of Funchal Airport Extension - AMPLIAÇAO DO AEROPORTO DA MADEIRA – Historia do Seu Nascimento e Descrição da p da pista actual. (Documento fornecido na visita)

- FERREIRA, Duarte; TAVARES, António Segadães; FERNANDES, João Almeida; SANTOS, Teresa Oliveira – II Jornadas Insulares da Engenharia -A Ampliação do Aeroporto do Funchal. Funchal, 20 a 22 Maio 1999

-SALTA, M. Manuela; Seminário Materiais em Ambiente Marítimo – Prevenção da Corrosão no Betão Armado. Funchal, Outubro 2007, LNEC Instrumentação e Observação de Obras| 12