Monitorização do Estado de Conservação de Estruturas de Betão por Processamento de Imagem e Análise Multi-Espectral

Abstract

O betão é, a partir da segunda metade no século XX, o material de construção mais utilizado à escala do planeta. A degradação das estruturas de betão tem diversas causas. O programa de manutenção de determinadas infra-estruturas em betão inclui a realização de inspecções visuais periódicas para detecção de anomalias e, quando se justifica, a realização de ensaios não destrutivos para apoio ao diagnóstico e definição da intervenção mais adequada. Esta metodologia apresenta como principais inconvenientes a obtenção de uma avaliação por amostragem (e não global) do estado de conservação da estrutura, e a necessidade de realização de ensaios, calibrados de forma empírica, trabalhosos, demorados e sujeitos a erro humano. No âmbito desta tese, foi desenvolvido um método inovador tendo como principais objectivos monitorizar o comportamento de elementos estruturais de betão submetidos a carregamento, e detectar e caracterizar anomalias superficiais em estruturas de betão à vista. No primeiro caso, considerou-se relevante registar a evolução dos seguintes parâmetros: campo de deslocamentos, campo de deformações e padrão de fissuração. Na segunda situação, definiu-se como meta conseguir identificar e mapear automaticamente algumas anomalias visíveis a olho nu, como fissuras, manchas de humidade, sujidade, colonização biológica ou materiais de reparação. O método desenvolvido foi designado „Monitorização Automática do Estado de Conservação do Betão‟ – ACHM (Automatic Concrete Health Monitoring). Inclui a utilização de fotogrametria, processamento digital de imagem e análise multi-espectral de imagem, considerando o espectro visível e o infravermelho próximo, para avaliar a patologia do betão. O método incorpora vários módulos, a seguir indicados, os quais podem ser utilizados isoladamente ou em conjunto: (1) ‘Photo-Displacements’, permite determinar o campo de deslocamentos de estruturas sujeitas a carregamento; (2) ‘MCrack’ – Image Processing of Concrete Surfaces, possibilita a detecção, caracterização e análise de fissuras em superfícies de betão; (3) ‘Visual-DSC’ – Visualisation of Displacements, Strains and Cracks, permite a determinação de campos de deslocamentos e de deformações, assim como a medição da abertura de fissuras; (4) ‘SurfMap-DSC’ – Mapping Displacements, Strains and Cracks in Concrete Surfaces, integra os dois últimos módulos, agrupando as potencialidades de ambos; (5) ‘SurfCrete’ – Multi-Spectral Image Analysis of Concrete Surfaces, permite detectar, analisar e medir áreas com colonização biológica, fissuras e materiais de reparação em superfícies de betão; e (6) ‘Aesthetic-CCS’ – Aesthetic Characterization of Concrete Surfaces, visa apoiar a definição do tipo mais adequado de reparação localizada (patch repair) do ponto de vista estético (i.e., em termos de cor e de textura). O ACHM demonstrou ser capaz de caracterizar, de forma automática e contínua (monitorização), a patologia do betão. Assim, o ACHM é uma ferramenta importante: (1) no apoio à componente laboratorial de trabalhos de investigação científica na área do betão estrutural; (2) na inspecção e diagnóstico de estruturas de betão; e (3) na definição de técnicas de restauro de „Património em Betão‟.

Concrete is, from the second half of the XXth century, the most widely used building material in the world. The degradation of concrete structures has several causes. The maintenance program for concrete infrastructure includes periodic visual inspections to detect anomalies and, when justified, non destructive tests are performed to support the diagnosis and defining the most appropriate interventions. The main disadvantages of this methodology are the following: is obtained an evaluation per sample (not global) from the state of conservation of the structure; and requires tests, usually empirically calibrated, time consuming and subject to human error. In the scope of this thesis, a new method was developed to monitor the behaviour of structural concrete elements subjected to load, and to detect and characterize surface damages in exposed concrete structures. In the first case, it was considered important to record the evolution of the following parameters: displacement field, strain field and cracking pattern. In the second situation, it was defined as a goal to automatically identify and map anomalies visible to human eye in concrete surfaces, such as, cracks, moisture and dirt stains, biological colonization and repair materials. The new method, named „Automatic Concrete Health Monitoring‟ – ACHM, includes the use of p hotogrammetry, digital image processing and multi-spectral image analysis, considering both visible and near infrared spectrum, to evaluate concrete pathology. The method incorporates several modules which can be used separately or together: (1) 'Photo-Displacements', developed to obtain the displacement fields of structures subject to load; (2) 'MCrack' – Image Processing of Concrete Surfaces, enables the detection, characterization and analysis of cracks in concrete surfaces: (3) 'Visual-DSC' – Visualisation of Displacements, Strains and Cracks, developed to determine displacements and deformations fields, as well as measure the cracks‟ width; (4) 'SurfMap-DSC' – Mapping Displacements, Strains and Cracks in Concrete Surfaces, integrates the last two modules, merging the potential of both; (5) 'SurfCrete' – Multi- Spectral Image Analysis of Concrete Surfaces, developed to detect, analyze and measure areas of biological colonization, cracks and repair materials in concrete surfaces; and (6) 'Aesthetic-CCS' – Aesthetic Characterization of Concrete Surfaces, aims to support the definition of appropriate patch repairs, in an aesthetic point of view (i.e., in terms of colour and texture). The ACHM confirmed the ability to characterize, automatic and continuously (monitoring), the concrete pathology. Thus, the ACHM is an important tool to: (1) support the laboratory tasks of scientific research projects in the field of structural concrete, (2) inspection and diagnosis of concrete structures, and (3) definition of restoration techniques and guidelines for 'Concrete Heritage'.