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Authors
Abstract(s)
A observação dimensional terrestre de infraestruturas constitui uma atividade relevante para a deteção atempada de danos e garantia de segurança. Neste âmbito, a medição pontual ou permanente do deslocamento dinâmico de uma grande obra contribui para a melhoria do conhecimento da sua condição estrutural, constituindo um significativo desafio instrumental no que respeita às distâncias de observação envolvidas e à agressividade ambiental associada à realização de medições em campo. No conjunto de soluções de medição emergentes que procuram dar uma resposta satisfatória a esta necessidade no contexto da Engenharia Civil, a presente tese apresenta o estudo metrológico de método óptico para a medição dimensional terrestre de infraestruturas dinâmicas. Pelo impacto que possuem no processo de medição desenvolvido, são discutidos os aspetos de aquisição e processamento de imagem dos alvos e a influência do meio de propagação, nomeadamente, através dos fenómenos atmosféricos de atenuação, refração e turbulência. São igualmente descritos os métodos de caraterização metrológica do sistema de medição nas vertentes dimensional e geométrica dos seus principais elementos constituintes: câmara digital e referencial de medição composto por alvos ativos com LEDs. É também apresentado o método de calibração proposto para o estabelecimento de rastreabilidade do sistema de medição, sendo descrito o protótipo experimental de padrão de referência desenvolvido para esse efeito. As metodologias desenvolvidas foram concretizadas experimentalmente numa ponte suspensa de elevada dimensão – a Ponte 25 de Abril – tendo-se assegurado a medição de deslocamento do seu ½ vão principal em diferentes situações operacionais. A discussão de resultados abrange, igualmente, a parametrização intrínseca da câmara com elevada distância focal utilizada, a correção do efeito sistemático de refração vertical, a quantificação do efeito aleatório de feixe errante, os desvios de calibração e respetivas incertezas de medição por aplicação do Método de Monte Carlo em processo de otimização não-linear multivariável.
The dimensional terrestrial observation of large-scale structures is a relevant activity for early damage detection and safety assurance. In this context, the occasional or permanent dynamic displacement measurement in a high dimension construction contributes for knowledge improvement of its structural condition, being a significant instrumental challenge in terms of established observation distances and of environmental aggressiveness when performing field measurements. In the group of emergent measurement solutions which try to comply to this instrumental requirement in the Civil Engineering context, this thesis presents the metrological study of an optical method for dimensional terrestrial measurement of dynamic large-scale structures. Due to their impact on the developed measurement process, a discussion is promoted about image acquisition and processing and also concerning the influence of the propagation medium, namely, through attenuation, refraction and turbulence atmospheric phenomena. Metrologic characterization methods are also described, ranging the dimensional and geometrical aspects of the measurement system’s main components: the digital camera and the measurement referential composed by LED active targets. In addition, the proposed calibration method for the establishment of the measurement system’s traceability is presented and the related reference measurement standard experimental prototype is also described. The developed methodologies were tested in a long-span suspension bridge – the 25th of April Bridge – allowing the displacement measurement of its ½ main span in different operational scenarios. The experimental results discussion includes the intrinsic parameterization of the applied high focal length camera, the correction of the vertical refraction systematic effect, the beam wandering random effect quantification, the calibration deviations and related measurement uncertainties obtained by the use of the Monte Carlo Method in a multivariable, non-linear optimization process.
The dimensional terrestrial observation of large-scale structures is a relevant activity for early damage detection and safety assurance. In this context, the occasional or permanent dynamic displacement measurement in a high dimension construction contributes for knowledge improvement of its structural condition, being a significant instrumental challenge in terms of established observation distances and of environmental aggressiveness when performing field measurements. In the group of emergent measurement solutions which try to comply to this instrumental requirement in the Civil Engineering context, this thesis presents the metrological study of an optical method for dimensional terrestrial measurement of dynamic large-scale structures. Due to their impact on the developed measurement process, a discussion is promoted about image acquisition and processing and also concerning the influence of the propagation medium, namely, through attenuation, refraction and turbulence atmospheric phenomena. Metrologic characterization methods are also described, ranging the dimensional and geometrical aspects of the measurement system’s main components: the digital camera and the measurement referential composed by LED active targets. In addition, the proposed calibration method for the establishment of the measurement system’s traceability is presented and the related reference measurement standard experimental prototype is also described. The developed methodologies were tested in a long-span suspension bridge – the 25th of April Bridge – allowing the displacement measurement of its ½ main span in different operational scenarios. The experimental results discussion includes the intrinsic parameterization of the applied high focal length camera, the correction of the vertical refraction systematic effect, the beam wandering random effect quantification, the calibration deviations and related measurement uncertainties obtained by the use of the Monte Carlo Method in a multivariable, non-linear optimization process.
Description
Tese de doutoramento, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015
Keywords
Infraestruturas Metrologia Óptica Teses de doutoramento - 2015