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Gêmeos digitais vão deixar inspeções de obras mais acessíveis

Um engenheiro civil que inspeciona uma ponte pendurada em uma corda deve estar pensando: “Não me inscrevi para isso”. Na verdade, nada no currículo de engenharia civil prepara alguém para a tarefa enervante de inspeção de pontes – talvez para evitar que os alunos mudem para outras disciplinas mais seguras.

O rapel não deveria ser um requisito para um inspetor de ponte, diz Dan Vogen, vice-presidente de Gestão de Ativos Rodoviários e Ferroviários da Bentley Systems. A Bentley oferece uma abordagem melhor – e mais segura – usando drones e fotogrametria.A maioria dos departamentos de transporte (DoTs) já está lá, de acordo com Vogen.

A necessidade de inspeção da ponte

É quase impossível ler ou ouvir qualquer coisa sobre infraestrutura que não se refira a ela como desmoronando. Uma falha de ponte, como a que ocorreu em Minneapolis, Minnesota em 2007 ou a Ponte Morandi em Gênova, Itália em 2018, é tão importante quanto um acidente de avião, gerando manchetes em todo o mundo.

A Sociedade Americana de Engenheiros Civis (ASCE) declarou que 12 por cento das pontes dos EUA eram estruturalmente deficientes em 2007. A ASCE conta 617.000 pontes nos EUA e estima que 42 por cento delas têm mais de 50 anos, e em seu Relatório de 2021 para Infraestrutura da América , a organização estima que 7,5 por cento são estruturalmente deficientes.

Você pode esperar que Minnesota esteja liderando em pontes estruturalmente deficientes, mas o estado nem mesmo está entre os dez primeiros. A maior proporção de pontes estruturalmente deficientes está no menor estado do país. Rhode Island tem 22% de suas estruturas classificadas como deficientes, seguido por West Virginia, com 21%.

Percebendo a necessidade de digitalizar a inspeção da ponte, a Bentley comprou a InspectTech, com sede em Pittsburgh, em 2012.

“Os métodos de inspeção de pontes permaneceram muito, muito estagnados. Os inspetores precisam ficar em uma posição a partir da qual possam visualizar e avaliar adequadamente o que está acontecendo em cada pedaço dessa estrutura. Isso envolveu veículos de inspeção da ponte, os caminhões de plataforma, fazendo rapel ao longo da lateral da estrutura para pendurar na lateral da ponte. Às vezes, uma moto-aquática é implantada por baixo. Pode-se construir andaimes. Qualquer coisa para poder entrar em uma posição para que você saiba o que está acontecendo. Tudo o que temos feito por anos e anos e anos foi com esses métodos. Tínhamos que fazer isso para que pudéssemos fisicamente entrar em cada canto e recanto de uma estrutura. Por mais longa que seja a ponte, por mais alto que seja um rio ou o que quer que esteja atravessando.”

Um caminhão plataforma, que deve estacionar no trânsito (as pontes não são fechadas rotineiramente durante as inspeções da ponte) e ter acesso a 10 ou 20 pés de comprimento da ponte e talvez sob apenas uma faixa, é bastante limitado em comparação com a liberdade de movimento que um drone oferece.

Por volta de 2018, a Bentley começou a ver as vantagens da inspeção baseada em drones, observa Vogen. “Como o acesso a locais de difícil acesso. Em vez de pegar um caminhão de lances e mover o braço, podemos voar um drone sob o convés, ao longo das vigas… e obter a imagem”.

O relaxamento das regulamentações para o uso de drones ajudou a fomentar seu uso. Um piloto de drone não deve mais ter uma linha de visão para o drone o tempo todo.

O conto da fita

Dada a necessidade de inspeção de pontes para evitar desastres, bem como para melhorar o trabalho e reduzir custos, devemos recorrer à tecnologia. Perguntamos a Vogen o que Bentley traz para a mesa: “Por muitos e muitos anos, a Bentley trouxe um software que permite a supervisão geral, coordenação, documentação e conformidade com os requisitos de inspeção nos EUA. A Administração Federal de Rodovias dos EUA tem mandatos para inspeções de pontes por mais de 50 anos. Esses padrões não mudaram por alguns anos. Eles exigem uma inspeção de todas as estruturas a cada dois anos. Essa fiscalização [deve ser] feita in loco, visualmente, na prática, gerando relatórios de fiscalização que detalham anualmente a condição de todas as estruturas do inventário da Administração Rodoviária Federal. Fornecemos as ferramentas que permitem ao inspetor estar em campo, fazer sua avaliação visual, fazer anotações, tirar fotos ou vídeos”.

A ‘fita’ é um registro textual com um formato específico. Existe uma para cada ponte, a cada dois anos. Existem algumas centenas de campos para cada estrutura, linha após linha, em um arquivo de texto. A fita é enviada para cada estrutura. O governo federal combina todos os relatórios em um com todo o inventário de todos os EUA para que possa avaliar a condição geral, os custos de reabilitação que são necessários ou estimados ”.

Olhos no céu

Um drone, ou veículo aéreo não tripulado (VANT), pode voar em um caminho predeterminado, como uma hélice ao redor da ponte, ou para frente e para trás ao longo de sua extensão, o tempo todo tirando fotos ou vídeos.

O software Bentley pode juntar as fotos para criar um modelo visualmente preciso e detalhado de toda a ponte em um processo usando tecnologia de fotogrametria. A Bentley adquiriu a tecnologia de fotogrametria da Acute3D, com sede na França, em 2015. Desde então, integrou a fotogrametria em suas aplicações.

A fotogrametria da Bentley une as imagens na hora, não exigindo marcas de registro ou um esforço manual meticuloso de classificar e conectar as milhares de imagens que retornam após o vôo de 20 minutos de um drone – um requisito comum dos programas de fotogrametria anteriores.

“Nosso software ContextCapture pega uma grande quantidade de fotos e as transforma em uma malha de realidade em escala. Haverá benchmarks ou pontos de passagem ou pontos-chave que são usados para auxiliar na precisão e na mensurabilidade desse modelo ”, disse Vogen.

O modelo resultante é inteiramente baseado em fotografias estáticas. Ele pode ser aumentado com LiDAR, de acordo com a Vogen, mas não requer isso.

Conduzindo muito do trabalho

A maior parte do tempo de um inspetor de ponte é gasta não na inspeção real da ponte, mas dirigindo-se entre o escritório e as estruturas que precisam ser inspecionadas.

“Não é um bom uso do tempo de um engenheiro”, observou Vogen. A inspeção da ponte é bastante difícil. Por que sobrecarregar o engenheiro com toda a bagagem extra?

“Um engenheiro tem que trazer todos os seus equipamentos. Eles têm que tirar fotos. Eles têm que levar tudo de volta ao escritório. Quando eles terminam com uma ponte, eles têm que dirigir para a próxima. Eles provavelmente não podem fazer dois em um dia se tiverem que dirigir para a frente e para trás. Eles irão para a próxima ponte amanhã. Pergunte ao típico inspetor de ponte quantas horas de sua vida ele passou dirigindo até as estruturas. Isso é um bom uso do tempo de engenheiros qualificados?

“Mas e se eles pudessem ter uma equipe de drones?” ponderou Vogen. “Assim, os engenheiros podem ser constantemente usados para suas habilidades. A tripulação do drone também pode. Os pilotos de drones não precisam ser engenheiros treinados, apenas pilotos competentes e certificados.

”Nem é um bom uso de recursos ensinar um engenheiro a fazer rapel ou pilotar drones. É necessário um piloto licenciado para pilotar um drone. Organizações que possuem, mantêm e voam drones podem ser contratadas para “voar uma ponte”.

Usar uma equipe profissional e dedicada de drones tem outra vantagem, de acordo com Vogen. “Eles salvam a rota de vôo que foi usada lá. E se quisermos que eles voltem a cada seis meses, todos os anos, eles voam a ponte novamente e criam outro modelo. Fazemos uma comparação mostrando as mudanças.

“Há 40 anos registramos detalhes com fotos, mas a cada inspeção começamos tudo de novo”, disse Vogen.

O que há de errado nisso ? temos que perguntar.

A Vogen recorre a um paralelo para responder à nossa pergunta.

“Vá tirar uma foto de uma flor em seu jardim, volte no dia seguinte e tire uma foto dessa mesma flor. Você estava à mesma distância dele, o mesmo ângulo, a mesma perspectiva? Você sabe se a flor cresceu meia polegada ou uma polegada ou o quê? Quando um inspetor tira uma foto de uma rachadura e a compara com uma imagem da rachadura dois anos depois, o quão bem [eles estão] avaliando o que mudou?

”Ou a rachadura foi perdida e não fez parte do registro fotográfico? Um drone equipado com câmera em uma trajetória de voo repetível tem mais probabilidade de ser concluído do que um inspetor em mudança, que pode se concentrar em algumas coisas e excluir outras. Além disso, com um gêmeo visual digital, os inspetores não precisam voltar para a ponte. O modelo da ponte, na verdade uma fotografia 3D de toda a estrutura, pode ser visto repetidamente sem viagens de campo adicionais.

A construção do gêmeo visual digital de uma ponte

O modelo é gerado a partir de milhares de fotos. É geometricamente preciso. Ao contrário dos modelos normais de fotogrametria que não têm escala, o modelo de Bentley é dimensionalmente preciso e em escala. Os modelos são calibrados com distâncias conhecidas no solo para obter um modelo geometricamente preciso.

Isso é melhor do que você pode fazer com uma fotografia – o método consagrado pelo tempo de registrar detalhes como rachaduras, corrosão, o tamanho ou a espessura de uma placa de reforço… ou outros detalhes dignos de nota, diz Vogen.

Uma dessas organizações é a Collins Engineers, de Denver, que tem trabalhado com o Departamento de Transporte de Minnesota (MnDOT) em um programa de 5 anos para usar a tecnologia mais recente, incluindo drones e fotogrametria, para inspecionar pontes.

O que aconteceu em Minnesota? O MnDOT estava usando métodos tradicionais para inspecionar pontes, incluindo caminhões plataforma que estacionam na borda de uma ponte, muitas vezes no trânsito, e estendem um braço reticulado elaborado para posicionar um ou mais inspetores corajosos sob uma ponte.

Um caminhão plataforma custa setecentos mil de dólares, disse Jennifer Zink, engenheira de inspeção de ponte estadual para MnDoT, “em comparação com cerca de US $ 40 mil por um drone”.

Foi em Minneapolis que a ponte I-35W desabou no rio Mississippi em 2007, matando 13 e ferindo 145, tornando instantaneamente Minnesota o garoto-propaganda de infraestrutura em ruínas. Foi uma má reputação. O National Transportation and Safety Board (NTSB) deveria determinar que a falha resultou de uma falha de projeto. As placas de reforço eram meia polegada mais finas do que deveriam ser. Ter quase 300 toneladas de equipamentos de construção estocados no convés da ponte não ajudou. Não se tratava apenas de deterioração da ponte, adiamento da manutenção ou falta de fiscalização.

O estado de Minnesota entrou em ação, substituindo a ponte I-35W em 14 meses, substituindo todas as placas de reforço subdimensionadas e reparando e substituindo as pontes do estado conforme necessário, como parte do programa de melhoria de pontes de $ 2,5 bilhões.

Respondendo a uma autoridade superior

Se os pré-requisitos para a inspeção de pontes já incluem rapel, falta de acrofobia e amor pela natureza, por que não adicionar o vôo do drone à lista?

Não é uma boa ideia, diz Vogen.

Um engenheiro civil que fazia a inspeção de uma ponte precisava lidar com a Administração Federal de Rodovias. Com os drones, eles devem lidar com a Federal Aviation Administration (FAA). A FAA só recentemente relaxou as restrições para voos de drones, tornando possível a inspeção de pontes com drones.

“As regulamentações federais em vigor há algum tempo exigiam que o piloto do drone tivesse uma linha de visão para o drone. A FAA agora permite o uso de drones sem linha de visão ”, explicou Vogen.

Cenas de inspetores de ponte invariavelmente incluem homens fortes e corajosos. Sub representados estão as mulheres, os deficientes e os fóbicos. E isso não é justo, diz Vogen. Por que a inspeção de pontes deve impedir que qualquer pessoa apaixonada por pontes tenha permissão para se certificar de que as pontes são seguras? Por que você deveria saber fazer rapel para ser inspetor de ponte? O uso de drones abrirá oportunidades para mais pessoas.

Com a captura de realidade baseada em drones, o inspetor da ponte pode permanecer no escritório, estar seguro e ser mais produtivo.

“O Minnesota DoT descobriu que os drones economizaram 40% do custo de uma inspeção de ponte”, disse Meg Davis, diretora de marketing da indústria de estradas e pontes da Bentley Systems. “E os engenheiros da Collins descobriram que 90 por cento da inspeção da ponte pode ser feita no escritório.

”Um inspetor de ponte não precisa aprender a dominar o vôo de drones e ser certificado. Um conjunto de fotografias pode ser entregue pela equipe do drone. Eles combinam os drones voadores e realizam a inspeção da ponte, cada um com suas respectivas especialidades, evitando curvas de aprendizagem e confusão de amador.

Caia na Real

Não há SimCity aqui. Com a inspeção de ponte baseada em drones aceita como o método moderno e seguro de inspeção de ponte, a próxima revolução pode ser o método pelo qual o modelo fotográfico 3D resultante deve ser visualizado.

Estamos nos estágios iniciais de visualização das imagens da maneira mais ideal, diz Vogen.

A Bentley é pioneira em adotar o Microsoft HoloLens para que os inspetores de ponte possam mergulhar em um modelo em escala real da ponte que estão inspecionando.

“Estamos fazendo projetos-piloto com alguns departamentos de transporte”, observou Vogen. “Começamos o desenvolvimento há um ano. Honestamente, eu estava preocupado se isso seria um pouco espalhafatoso, chamativo… sem precisão de engenharia suficiente. Mas com o software e o suporte que a Microsoft [dona da HoloLens] tem sido capaz de fornecer, a empresa de consultoria de engenharia [Collins] foi capaz de fazer 90 por cento da inspeção e avaliação no escritório. Isso foi alucinante.

Quando começamos, esperávamos atingir 10% ou 20%. Acho que conseguimos um home run. ”A Bentley teve que superar os desafios de dados, hardware e software para imergir um inspetor de ponte em um ambiente virtual“.

A tecnologia que está sendo usada é extraordinária. Os modelos com os quais temos trabalhado nos projetos-piloto são 10, 20… 100 milhões de polígonos. Renderizar modelos desse tamanho dentro de um HoloLens foi, se não uma maravilha técnica, pelo menos uma séria vitória técnica. Estamos aproveitando a nova funcionalidade da Microsoft que permite que grandes contagens de polígonos sejam renderizadas na nuvem e transmitidas para o HoloLens – com toda a fidelidade e detalhes necessários para que o engenheiro não ria disso. Não estamos fazendo cubos SimCity aqui ”, disse Vogen.

O futuro da inspeção de pontes é virtual

A inspeção de ponte virtual funciona em muitos níveis. A utilização total de tecnologia avançada nos torna fãs instantâneos, mas decididamente mais importante é a segurança adicional para os inspetores de ponte, para não mencionar as equipes rodoviárias no convés da ponte enfrentando o tráfego. O máximo que um inspetor de ponte que analisa um gêmeo digital de uma ponte tem que temer é cair sobre os móveis que eles não verão ao usar o HoloLens.

A segurança pública será aprimorada por uma inspeção melhor e mais completa da ponte. A profissão de engenheiro civil será recarregada com o talento daqueles que, pelos limites da habilidade ou do medo, foram incapazes de se pendurar nos conveses das pontes.

A divisão de trabalho que a inspeção de ponte virtual permite – com pilotos de drones voando, software jocks processando imagens em modelos e inspetores de ponte capazes de se concentrar na análise de modelos – poupados de passar horas por dia dirigindo de e para as estruturas, produzirá uma equipe mais satisfeita.

E, no final das contas, a economia da inspeção de ponte virtual em relação à inspeção física (até 40 por cento) simplesmente não pode ser ignorada.

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