PT108448A

PT108448A - Estrutura de material cimentício sensorizada, seu método de produção e seu método de operação

Info

Publication number: PT108448A
Application number: PT108448A
Authority: PT
Inventors: Da Fonseca E Branquinho De Pais Monteiro Joana; Maria Jesus De Sequeira Serra Nunes Ângela; Gabriela Silvestre Mendes Pinto De Moura Bruna; Diniz Da Fonseca Joana; Joaquim Poças Gonçalves José; Manuel Carvalho Gomes João; Rafael Pinto Lopes Jaime; Daniel Marques Pessoa Ricardo; Gonçalves Pimenta Machado Vasco; Vermelhudo Vítor
Original assignee: Centitvc - Centro De Nanotecnologia E Materiais Técnicos Funcionais E Inteligentes; Secil S A -Companhia Geral De Cal E Cimento S A
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-11-07
Also published as: CA2929271A1; EP3100837A1; BR102016010268A2; EP3100837C0; US20160328929A1; EP3100837B1

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO ENQUADRA-SE NA ÁREA TÉCNICA DA CONSTRUÇÃO, RECORRENDO A CONHECIMENTOS DE TECNOLOGIA DE MATERIAIS E DE SENSORES.A INVENÇÃO CONSISTE NUMA ESTRUTURA DE UM MATERIAL CIMENTÍCIO SENSORIZADA, QUE CONTÉM UMA PLURALIDADE DE ELEMENTOS SENSORES (1) INTEGRADOS EM PELO MENOS UM SUBSTRATO (2), E EM QUE O CONJUNTO DA PLURALIDADE DE ELEMENTOS SENSORES (1) E PELO MENOS UM SUBSTRATO (2) ESTÁ ENVOLTO EM MATERIAL CIMENTÍCIO. A INVENÇÃO POSSIBILITA ASSIM UMA GRANDE VARIEDADE DE FORMAS DE INTERACÇÃO COM ESTRUTURAS CONSTRUTIVAS, PERMITINDO SIMULTANEAMENTE DURABILIDADE E ROBUSTEZ DESSAS ESTRUTURAS E DOS SEUS ELEMENTOS SENSORES (1).A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE IGUALMENTE NUM MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UMA ESTRUTURA DE MATERIAL CIMENTÍCIO SENSORIZADA, QUE INCLUI A INTEGRAÇÃO DE ELEMENTOS SENSORES (1) SOBRE PELO MENOS UM SUBSTRATO (2), A SUA INSERÇÃO EM COFRAGEM E ENCHIMENTO COM MATERIAL CIMENTÍCIO.

Description

ESTRUTURA DE MATERIAL CIMENTÍCIO SENSORIZADA, SEU MÉTODO DE PRODUÇÃO E SEU MÉTODO DE OPERAÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção enquadra-se na área da Construção, envolvendo conhecimentos de tecnologia de materiais de construção e de sensores. Mais especificamente, envolve materiais cimenticios e materiais impermeabilizantes, entre outros, bem como diferentes tecnologias de sensores, de contacto ou de proximidade. 0 cruzamento destes campos da tecnologia permite alcançar estruturas construtivas, de diferentes formas, funções e dimensões, que interagem com elementos externos.

Os referidos materiais cimenticios são adequados para quaisquer construções, como construção ou reabilitação de interior ou exterior de edifícios, rodovias, mobiliário urbano, entre outras. 0 objecto da invenção enquadra-se também no desenvolvimento de sensores adequados à interacção com utilizadores humanos. 0 presente invento visa assim introduzir interactividade em estruturas de material cimentício, pela integração de sensores durante o processo de betonagem. Estas estruturas têm aplicação na construção / reabilitação de edifícios, em rodovias, mobiliário urbano, meios hospitalares, entre outros.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A presente invenção encontra antecedentes mais próximos nos sistemas de monitorização de parâmetros internos das estruturas construtivas, para fins de monitorização contínua e, consequentemente, manutenção preditiva.

Este tipo de sistemas pretende, através da colocação de sensores sobre a superfície de estruturas cimentícias, perfurando-as e inserindo os sensores no seu interior, ou colocando os sensores no seu interior aquando da sua construção, monitorizar o comportamento da estrutura ao longo do tempo, seja na própria fase de construção, seja durante o seu tempo de vida.

Para fins da presente invenção, importa o último tipo de sistemas, em que os sensores são embebidos no interior da estrutura aquando da sua construção, passando a fazer parte da própria estrutura. 0 pedido de patente com número de publicação WO 2007025172 A2 divulga um sistema para monitorização do processo de cura no betão em que dispositivos com capacidade de sensorização e comunicação sem fios são colocados no interior no cimento aquando da betonagem, permitindo monitorizar a temperatura em diferentes pontos no interior da estrutura, enquanto se processa a secagem do betão. 0 pedido de patente com número de publicação CN 102255959 A divulga um sistema em que dispositivos com extensómetros e sensores de temperatura e capacidade de comunicação sem fios são embebidos numa estrutura de betão aquando da betonagem, para que monitorizem ao longo do tempo de vida da estrutura parâmetros que possibilitam conhecer o seu estado de conservação.

PROBLEMAS TÉCNICOS RESOLVIDOS

Na presente invenção, pretendeu-se não monitorizar parâmetros internos de estruturas mas sim parâmetros externos. Com esta alteração, pretende-se obter interacção com o exterior da estrutura, tipicamente em soluções de interactividade com um utilizador humano. Deste modo, a conformação, disposição, o tipo de sensor e outras caracteristicas são distintas daquelas conhecidas no estado da técnica, de tal forma a possibilitar que sensores embebidos no interior de estruturas cimenticias detectem variáveis externas à estrutura.

Por outro lado, é necessário realizar um processo distinto daqueles conhecidos no estado da técnica para obter um encapsulamento e, consequentemente, durabilidade e fiabilidade tais que possibilitem um bom funcionamento do conjunto de sensores ao longo do tempo, nomeadamente proporcionando resistência ao processo de betonagem das estruturas de material cimenticio.

Adicionalmente, pretende-se com a presente invenção criar interfaces de utilizador sem contacto, fazendo uso das características de porosidade dos materiais cimenticios.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO É assim objecto da presente invenção uma estrutura de material cimenticio sensorizada que contém pelo menos um substrato (2) , uma pluralidade de elementos sensores (1) dispostos sobre o pelo menos um substrato (2) e material cimenticio que envolve todo o conjunto e material cimenticio que envolve todo o conjunto.

Tal configuração está relacionada com a natureza da sensorização da estrutura de material cimenticio. Pretende-se medir determinada variável física ao longo da superfície ou de parte da superfície da estrutura de material cimenticio, de tal forma que configure uma área ao longo da qual a variável é detectada, resultando numa superfície sensitiva adequada para monitorizar determinada variável sobre a superfície externa (4) da estrutura.

Mais especificamente, a estrutura de material cimenticio sensorizada contém adicionalmente uma camada de material impermeabilizante (3) que cobre o conjunto da pluralidade de elementos sensores (1) e pelo menos um substrato (2). A camada de material impermeabilizante (3) permite que os elementos sensores (1) e o substrato (2), tipicamente pouco adequados ao envolvimento com material cimenticio, sejam envolvidos por este permitindo um acabamento externo apenas em material cimenticio ao mesmo tempo que são mantidas características de robustez e fiabilidade do conjunto de sensorização. A camada de material impermeabilizante (3) encontra-se portanto entre o conjunto da pluralidade de elementos sensores (1) e pelo menos um substrato (2) e o material cimenticio.

Nesta configuração pluralidade de elementos sensores (1) é impressa sobre o substrato (2). Para possibilitar esta conformação, os elementos sensores (1) são impressos por via de diferentes métodos possíveis sobre o substrato (2). A referida superfície sensitiva é igualmente envolvida num material impermeabilizante, que a encapsula para resistir ao processo de betonagem e ao longo do tempo de vida da estrutura, e em material cimenticio, proporcionando um acabamento que oculta a pluralidade de elementos sensores (1), correspondente à superfície externa (4) da estrutura. É também objecto da presente invenção um método de fabrico de estrutura de material cimenticio sensorizada que contém os seguintes passos: a) integração de uma pluralidade de elementos sensores (1) sobre pelo menos um substrato (2); b) inserção do conjunto de uma pluralidade de elementos sensores (1) e do pelo menos um substrato (2) encapsulado no interior de cofragem; c) enchimento com material cimenticio.

Através do método da presente invenção, é possível obter uma estrutura de material cimenticio sensorizada, que cumpre com os referidos requisitos de capacidade de monitorização de variáveis à superfície da estrutura, e com encapsulamento adequado à durabilidade e fiabilidade dos elementos sensores (1).

Este método pode conter, para obtenção de algumas configurações, adicionalmente o seguinte passo, realizado entre os passos a) e b): - encapsulamento do conjunto de uma pluralidade de elementos sensores (1) e do pelo menos um substrato (2) com um material impermeabilizante (3) ;

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 - representação de uma estrutura de material cimenticio sensorizada de acordo com a presente invenção, onde está representada uma pluralidade de elementos sensores (1), um substrato (2) sobre o qual estes estão integrados - no caso concreto da figura, impressos - e uma base de material cimenticio sobre o qual o substrato (2) está colocado. É também representado o material cimenticio que cobre e preenche este conjunto (placa representada à esquerda), bem como um prolongamento de elemento sensor (11) com a função de ligação aos restantes elementos electrónicos com funções como o acondicionamento ou o processamento de sinal.

Figura 2 - outra representação de uma estrutura de material cimenticio sensorizada de acordo com a presente invenção, onde está representada uma pluralidade de elementos sensores (1), um substrato (2) sobre o qual estes estão impressos e uma base de material cimenticio sobre o qual o substrato (2) está colocado.

Figura 3 - representação de um conjunto de substrato (2), pluralidade de elementos sensores (1) - que definem um conjunto de base (14) (estes elementos não estão apresentados) - cobertos por material cimenticio e colocados sobre um molde para colocação de material cimenticio (13) . É ainda representado um cabo de ligação a meios de alimentação (12).

Figura 4 - representação de malha impressa de elementos sensores (1) sobre um substrato (2), que permite mapear a zona onde é realizado toque e/ou onde há aproximação de um utilizador à estrutura de material cimenticio sensorizada. Esta acção activa o elemento sensor (1) mais próximo, iniciando um processo de activação de pelo menos um elemento actuador (10) ou de comunicação remota. São visíveis quatro elementos sensores periféricos (6) e um elemento sensor central (5).

Figura 5 - representação do método de fabrico da presente invenção. O passo de encapsulamento com material impermeabilizante (3) é apresentado como optativo, pois não integra todas as possibilidades do método da presente invenção, sendo apenas adequado à conformação de algumas das configurações da estrutura de material cimenticio sensorizada da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A presente invenção permite que uma qualquer estrutura em material cimenticio, como por exemplo um muro de betão, passe a proporcionar interactividade com o exterior, especificamente incorporando uma pluralidade de elementos sensores (1) no seu interior.

Como referido anteriormente, são conhecidos sistemas que possibilitam a incorporação de sensores no interior de estruturas de material cimenticio, sendo no entanto adequados para monitorizar variáveis relacionadas com a condição da estrutura.

Assim, a presente invenção compreende uma configuração distinta daquelas do estado da técnica, incluindo uma estrutura de material cimenticio sensorizada que contém uma pluralidade de elementos sensores (1) dispostos sobre pelo menos um substrato (2), e em que o conjunto da pluralidade de elementos sensores (1) e pelo menos um substrato (2) está envolto em material cimenticio. 0 conjunto da pluralidade de elementos sensores (1) e o pelo menos um substrato (2) contidos na estrutura está coberto por uma camada de material impermeabilizante (3) que o separa do material cimenticio envolvente. Esta camada de material impermeabilizante (3) permite que o referido conjunto esteja encapsulado de tal forma que resista ao processo de betonagem, e que se mantenha em funcionamento durante o tempo de vida da estrutura. 0 conjunto da pluralidade de elementos sensores (1), o pelo menos um substrato (2) e o material cimenticio envolvente designa-se de conjunto de base (14).

Adicionalmente, esta estrutura apresenta uma configuração em que a pluralidade de elementos sensores (1) está disposta segundo uma superfície substancialmente paralela a uma superfície externa (4) da estrutura de material cimenticio sensorizada.

Tal configuração possibilita um alinhamento entre a superfície de contacto ou interacção exterior e a superfície sensorizada, alcançando assim a medição da variável ao longo de determinada área sensorizada.

Numa configuração da presente invenção, a pluralidade de elementos sensores (1) está impressa sobre o pelo menos um substrato (2) . Esta configuração é altamente adeguada à criação de estruturas de material cimentício sensorizadas in situ, não necessitando que haja uma elaboração anterior dos elementos sensores (1). Através de diferentes processos que são objecto da presente invenção, torna-se bastante simples e versátil criar estruturas sensorizadas à base de material cimentício, tornando qualquer estrutura um potencial ponto de interacção.

Ainda nesta configuração, mais especificamente, o pelo menos um substrato (2) consiste num substrato em material não-cimentício, como um material polimérico, papel, derivados de papel, cerâmico ou em vidro. No caso de o substrato (2) ser polimérico, poderá consistir em politeraftalato de etileno (PET) , polietileno naftalato (PEN) . 0 substrato (2) de material não-cimentício consiste assim em materiais compatíveis com sistemas rolo a rolo ou sistemas folha a folha.

Estes substratos apresentam características de estabilidade dimensional, superfície uniforme, resistência à temperatura, nomeadamente até 160 °C, e resistência à humidade.

Alternativamente a um substrato (2) não-cimentício, o pelo menos um substrato (2) consiste no próprio material cimenticio ou numa lâmina de microbetão, sendo que a superfície de impressão da pluralidade de elementos sensores (1) no material cimenticio forma substancialmente um plano finito paralelo à superfície externa (4) da estrutura. Este tipo de substrato (2) é conformado sobre um molde para colocação de material cimenticio (13).

Os sensores constituintes da pluralidade de elementos sensores (1) poderão consistir em sensores capacitivos, indutivos, de actividade electrodérmica, de volume de pressão sanguínea, de temperatura, de luminosidade, de som ou em combinações dos anteriores, entre outros.

No caso de os elementos sensores (1) consistirem em sensores de volume de pressão sanguínea (BVP) de tecnologia optoelectrónica, a estrutura de material cimenticio sensorizada contém adicionalmente fibras ópticas, dispostas de tal forma que uma das terminações de cada fibra óptica se encontra na superfície externa (4) da estrutura e a outra terminação à superfície de cada elemento sensor (1). Tal configuração inovadora possibilita que os elementos sensores (1), que contêm uma fonte de luz e um fotodetector, estejam encapsulados no material cimenticio podendo simultaneamente medir BVP no exterior da estrutura.

Preferencialmente, os sensores de volume de pressão sanguínea (BVP) de tecnologia optoelectrónica não são impressos, mas sim pré-fabricados através de um dos métodos conhecidos no estado da técnica.

Num aspecto mais complexo da presente invenção, pretende-se obter uma interface para um utilizador humano, do tipo touchpad.

Desse modo, a presente invenção inclui uma configuração da estrutura de material cimenticio sensorizada em que a pluralidade de elementos sensores (1) está disposta em malha, possibilitando a interacção com o utilizador ou elemento externo através da detecção em diferentes elementos sensores (1) constituintes da malha. A malha configura um plano paralelo à superfície externa (4).

Numa configuração possível adicional à configuração em malha, a estrutura de material cimenticio sensorizada contém vários planos paralelos entre si e à superfície externa, que contêm uma pluralidade de elementos sensores (1), definindo uma malha tridimensional de elementos sensores (1).

Numa configuração alternativa ou cumulativa à anterior, a pluralidade de elementos sensores (1) da estrutura de material cimenticio sensorizada está disposta de tal forma em que um elemento sensor central (5) está rodeado de pelo menos dois elementos sensores periféricos (6), dispostos sobre uma linha que faz parte de um plano paralelo à superfície externa (4) da estrutura de material cimenticio sensorizada.

Numa configuração adicional à anterior, a estrutura de material cimenticio sensorizada contém pelo menos quatro elementos sensores periféricos (6), dispostos dois a dois segundo pelo menos duas linhas imaginárias perpendiculares, que fazem parte de um plano paralelo à superfície externa (4) da estrutura de material cimentício sensorizada e se intersectam no centro do elemento sensor central (5).

Em ambas as configurações, a estrutura de material cimentício sensorizada permite que, através de elementos sensores (1) individualizados, seja detectado o movimento do utilizador sobre a superfície sensorizada.

No seguimento da aproximação de um elemento susceptível de detecção pelos elementos sensores (1), é possível detectar a posição exacta da alteração nos elementos sensores (1) e por conseguinte detectar a posição do elemento que causou alteração.

Para o tratamento de dados provenientes da pluralidade de elementos sensores (1) , a presente invenção contém meios de acondicionamento de sinal (7), pelo menos um microcontrolador (8) e, opcionalmente, meios de comunicação local e/ou remota (9). Os meios de acondicionamento de sinal (7) encontram-se ligados à pluralidade de elementos sensores (1), sendo adequados para converter e adaptar os sinais provenientes dos elementos sensores (1) a entradas analógicas/digitais do pelo menos um microcontrolador (8) que processa os dados e envia-os digital/analogicamente para um sistema central com/sem fios.

Para a apresentação de informação por parte da estrutura objecto da presente invenção, proporcionando a referida interactividade, a estrutura de material cimentício sensorizada contém, numa configuração, adicionalmente pelo menos um elemento actuador (10).

Como tal, o tratamento dos sinais lidos pelos sensores integrados permite a geração de diferentes saídas no pelo menos um elemento actuador (10). Este poderá consistir em meios de geração de som, pelo menos um díodo emissor de luz (LED) ou pelo menos uma lâmpada, uma saída que controla a activação de um equipamento ou a um ecrã que apresenta o sinal lido pelo sensor, entre outros. A análise dos dados da pluralidade de elementos sensores (1) e consequente actuação sobre o pelo menos um elemento actuador (10) podem ser efetuadas in loco ou remotamente, pois os meios de comunicação local e/ou remota (9) são adequados para ligação a um sistema de gestão globalizado para controlo, que permite uma interação customizada por parte do utilizador.

No caso de o pelo menos um elemento actuador (10) consistir num LED ou outro tipo de meio emissor de luz, e uma vez que na presente invenção a electrónica está integrada no interior do betão, a condução da luz até à superfície externa (4) é efetuada por meio de fibra óptica, também esta integrada no material cimentício.

Aplica-se o mesmo princípio no caso em que os elementos sensores (1) consistem, por exemplo, em sensores de volume de pressão sanguínea (BVP), estando cada filamento de fibra em contacto, numa das extremidades, com o dedo do utilizador, e na outra extremidade, com o receptor ou emissor de luz. A alimentação eléctrica dos componentes electrónicos embebidos na estrutura de material cimentício sensorizada consiste em meios de alimentação finitos baterias primárias ou secundárias - ou em ligação directa à rede eléctrica, incluindo neste caso meios de conversão de corrente alternada para corrente continua. A alimentação eléctrica do conjunto de elementos electrónicos constituintes da estrutura de material cimenticio da presente invenção é realizada através de um cabo de ligação a meios de alimentação (12), em qualguer uma das alternativas indicadas.

No caso de sensorização por elementos sensores (1) impressos sobre pelo menos um substrato (2), estes conjuntos são laminados e/ou revestidos com diferentes materiais após a sua impressão para protecção eléctrica, mecânica e química, antes de integrado na estrutura de betão. Como materiais de protecção são considerados materiais impermeabilizantes e com boa resistência mecânica e química, de forma a resistiram ao processo de betonagem das peças de betão. 0 encapsulamento dos sensores impressos com estes materiais pode ser efectuado através da laminagem, e/ou termocolagem, e/ou slot die, e/ou doctor blade, e/ou knife-over-edge, e/ou serigrafia, e/ou spray, de um material polimérico curável por luz ultravioleta (UV) e/ou temperatura.

Constitui também objecto da presente invenção um método de fabrico de estrutura de material cimenticio sensorizada que contém os seguintes passos: a) integração de uma pluralidade de elementos sensores (1) sobre pelo menos um substrato (2); b) inserção do conjunto de uma pluralidade de elementos sensores (1) e do pelo menos um substrato (2) encapsulado no interior de cofragem; c) enchimento com material cimenticio.

Mais especificamente, o método de fabrico da presente invenção contém adicionalmente o seguinte passo, realizado a seguir ao passo a): - encapsulamento do conjunto de uma pluralidade de elementos sensores (1) e do pelo menos um substrato (2) com um material impermeabilizante (3) .

De uma forma ainda mais especifica, direccionada à configuração da estrutura de material cimenticio sensorizada em que os elementos sensores (1) são impressos sobre pelo menos um substrato (2), o passo a) consiste mais especificamente na impressão de uma pluralidade de elementos sensores (1) sobre pelo menos um substrato (2).

Este passo é adequado a todas as configurações da estrutura de material cimenticio da presente invenção em que os elementos sensores (1) são conformados no local, não sendo adequado aos casos em que estes são pré-fabricados, através de qualquer método conhecido do estado da técnica, e apenas integrados sobre o pelo menos um substrato (2) no local. A fase de impressão poderá consistir numa ou em combinações das seguintes técnicas: - serigrafia; - rotogravura; - impressão por jacto de tinta em sistemas rolo a rolo e/ou folha a folha. 0 encapsulamento da pluralidade de elementos sensores (1) e do pelo menos um substrato (2) pode consistir numa camada resultante de laminação e/ou revestimento com diferentes materiais após a impressão para proteção elétrica, mecânica e química, antes da integração na estrutura e envolvimento com material cimentício. Como materiais de proteção são considerados materiais impermeabilizantes e com boa resistência mecânica e química, de forma a resistiram ao processo de betonagem das peças de betão. 0 encapsulamento dos sensores impressos com estes materiais pode ser efetuado através da laminagem, e/ou termocolagem, e/ou slot die, e/ou doctor blade, e/ou knife-over-edge, e/ou serigrafia, e/ou spray, de um material polimérico curável por luz ultravioleta (UV) e/ou temperatura.

No caso de o substrato (2) consistir num substrato não-cimentício, o método contém mais especificamente os seguintes passos: - faseamento de betonagem em betonagem de parede exterior e interior; - durante a preparação da betonagem da parede interior, introdução no interior da cofragem da pluralidade de elementos sensores (1) impressos em pelo menos um substrato (2), após seu encapsulamento; - na introdução do passo anterior, posicionamento da pluralidade de elementos sensores (1) impressos em pelo menos um substrato (2) com auxílio de espaçadores em material cimentício, e sua fixação por sistemas de molas ou equivalente às armaduras da cofragem, de forma a assegurar a estabilidade e posicionamento durante a betonagem e a cumprir com os respectivos campos de atuação face à secção da peça a betonar; - introdução gradual do material cimenticio de forma a não danificar os sistemas de sensorização e peças acessórias.

Ainda neste caso, o método contém mais especificamente os seguintes passos: utilização de negativos nas peças para colocação das caixas de ligação e assemblagem em pontos estratégicos previamente definidos em projeto; - betonagem de todo o conjunto com betão de acabamento à vista ou para revestimento, em função do dimensionamento e do tipo de acabamento previsto. A face exterior é betonada de acordo com o procedimento comum.

No caso alternativo ao anterior de pré-fabricação de estruturas para utilização final - como no caso do mobiliário urbano -, o método contém adicionalmente os seguintes passos de betonagem faseada por camadas: - numa primeira camada é colocado o betão sendo o conjunto da pluralidade de elementos sensores (1) e de pelo menos um substrato (2) introduzida sob esta camada; - seguidamente é colocada outra camada de betão.

Estas peças oferecem um acabamento em face à vista com efeitos arquitectónicos. Também neste caso serão deixados negativos nestas peças de forma a assegurar a colocação dos acessórios.

Num caso que se poderá denominar de misto, em que a pluralidade de elementos sensores (1) é incorporada previamente num substrato (2) pré-fabricado de material cimenticio, como microbetão, argamassa ou material compatível que encapsula os sensores protegendo-os mecanicamente ou contra humidade e agressões químicas, o método contém mais especificamente os seguintes passos: - pré-moldagem de material cimenticio e impressão da pluralidade de elementos sensores (1), com todos os pontos de conexão cobertos; - introdução da estrutura na construção da estrutura de material cimenticio sensorizada, como uma parede, pavimento, peça decorativa ou mobiliário, antes da sua betonagem ou revestimento final com materiais cimentícios ou outros; - fixação entre a armadura e a cofragem com recurso a ganchos de suporte e espaçadores no caso de elemento a betonar, ou por colagem ao suporte para receber o revestimento final quando se tratar de aplicação sob um reboco, betonilha ou outro revestimento. À excepção das configurações em que os elementos sensores (1) consistem em elementos sensores de BVP ou outro tipo de sensor cuja variável monitorizada esteja relacionada com a luz, os elementos sensores (1) encontram-se significativamente próximo da superfície da estrutura de material cimenticio sensorizada, estando cobertos com material cimenticio, e estando a uma profundidade de pelo menos 0,5 cm. A presente invenção inclui ainda um método de operação da estrutura de material cimenticio sensorizada, que contém os seguintes passos: - detecção de estímulo externo à estrutura de material cimentício sensorizada através da pluralidade de elementos sensores (1); - acondicionamento dos sinais resultantes da pluralidade de elementos sensores (1) ; - processamento de sinais provenientes da pluralidade de elementos sensores (1) em pelo menos um microcontrolador (8) ; - actuação de elemento electrónico por parte do pelo menos um microcontrolador (8), sendo o elemento electrónico pelo menos um elemento actuador (10) e/ou meios de comunicação local e/ou remota (9).

MODOS DE REALIZAÇÃO

Num modo de realização do objecto da presente invenção, o material impermeabilizante (3) é um material polimérico.

Num outro modo de realização do objecto da presente invenção, o pelo menos um substrato (2) consiste num substrato polimérico.

Num modo de realização em que os elementos sensores (1) são impressos sobre pelo menos um substrato (2), cada elemento sensor (1) contém um prolongamento de elemento sensor (11) com a função de ligação aos restantes elementos electrónicos com funções como o acondicionamento ou o processamento de sinal.

Num modo de realização do objecto da presente invenção, o material cimenticio consiste em betão, argamassa ou microbetão.

Num outro modo de realização da presente invenção, o material cimenticio consiste em betão com caracteristicas esteticamente apelativas, pela utilização de diferentes cores / texturas pelo menos na superfície exterior da estrutura.

Em diferentes modos de realização da presente invenção, a tinta de impressão contém materiais condutores, como prata, carbono, níquel, ouro, platina, materiais poliméricos como por exemplo PEDOT:PSS.

Num outro modo de realização, que poderá ser combinado com o anterior, a estrutura de material cimenticio sensorizado contém fibras ópticas, que permitem a emissão de luz à superfície do betão sem prejuízo das suas caracteristicas superficiais e de durabilidade. Tais fibras ópticas são inseridas durante o processo de betonagem, e permitem a emissão de luz à superfície do betão sem prejuízo das suas caracteristicas superficiais e de durabilidade. Trata-se dos únicos elementos que ficam à superfície da estrutura de material cimenticio sensorizada, naturalmente para além do próprio material cimenticio.

Num modo de realização da presente invenção, a estrutura de material cimenticio sensorizada consiste num medidor de volume de pressão sanguínea (BVP) em que os elementos sensores (1) consistem em sensores de BVP e o pelo menos um elemento actuador (10) consiste num díodo emissor de luz (LED).

Neste caso, os emissores e recetores de luz estão em contacto directo com a superfície do elemento externo, como o dedo de um utilizador (extremidade do corpo onde é habitual realizar a medição do sinal nos sistemas convencionais) sendo, como anteriormente descrito, a condução da luz realizada utilizando fibra óptica. A integração de fibras ópticas é também efectuada para a geração de efeitos dinâmicos por atuação dos sensores, por toque ou proximidade à superfície do betão.

Esta integração é efectuada através do posicionamento rigoroso da fibra na superfície de contacto de forma a captar a luz refletida pela pele após exposição é luz emitida pela fibra emissora. Este posicionamento é pré-moldado e posteriormente embutido no elemento final ou devidamente posicionado na cofragem antes da betonagem.

Em diferentes modos de realização do método da presente invenção, o fabrico da estrutura de material cimentício sensorizada pode incluir acabamentos artísticos e arquitetónicos, coloração e texturas diversas gue tornam o seu aspeto decorativo e agradável, facilitando a sua integração sem danos nas estruturas existentes e acrescentando valor estético às mesmas, e conferindo o máximo conforto aos utilizadores.

Num modo de realização mais específico referente ao caso em gue a presente invenção inclui uma configuração da estrutura de material cimentício sensorizada em que a pluralidade de elementos sensores (1) está disposta de tal forma em que um elemento sensor central (5) está rodeado de pelo menos dois elementos sensores periféricos (6), os elementos sensores (1) consistem em diferentes eléctrodos de um material condutor, como por exemplo eléctrodos de prata impressos em substratos rígidos ou flexíveis em que estes estão predispostos segundo uma determinada geometria.

Estes eléctrodos podem ser encapsulados para melhoria da sua resistência e durabilidade, para integração no betão, ou então podem ser utilizados materiais, preferencialmente FR-4, em que a sua superfície é banhada por um material condutor (cobre, prata, ligas à base de ouro, entre outras). Nestes materiais implementam-se os eléctrodos na geometria necessária para que uma deteção espacial (XYZ) funcione corretamente.

Estes eléctrodos estão pelo menos ligados aos meios de acondicionamento de sinal (7) , que por sua vez está ligado ao pelo menos um microcontrolador (8).

Num modo de realização preferencial do anterior exemplo, o pelo menos um microcontrolador (8) está ligado a meios de comunicação local e/ou remota (9).

Apresentam-se de seguida diferentes exemplos de aplicação da estrutura e método da presente invenção.

Exemplo 1 - Desenvolvimento de interruptores e campainhas em betão

Neste exemplo é considerado um método com as seguintes características: i) Integração de sensores impressos capacitivos em betão durante o processo de betonagem de acordo com o método da presente invenção. A estrutura de material cimentício sensorizada contém especificamente os seguintes elementos: i) meios de acondicionamento de sinal (7), um microcontrolador (8); ii) pelo menos um elemento actuador (10), que consiste num actuador gerador de som e/ou num actuador de meios de iluminação; iii) os elementos sensores (1) consistem em sensores de toque ou proximidade à superfície do betão, capacitivos; iv) o pelo menos um substrato (2) consiste em substratos poliméricos flexíveis onde são impressos os sensores capacitivos, que podem ser encapsulados para melhoria da sua resistência e durabilidade para integração no betão. A tinta de impressão utilizada contém materiais condutores, por exemplo prata, carbono, níquel, ouro ou platina, e materiais poliméricos como por exemplo PEDOT:PSS. Como técnica de impressão destes sensores capacitivos nos substratos poliméricos flexíveis pode considerar-se a rotogravura ou serigrafia ou impressão por jacto de tinta. O substrato (2) consiste num filme polimérico de base politeraftalato (PET). A proteção do sensor é efectuada com recurso a laminação por revestimento, laminação húmida e laminação seca.

Os substratos poliméricos flexíveis com sensorização impressa são integrados no betão durante o processo de betonagem.

Esta integração é efectuada num processo designado bicamada, ficando o sensor integrado entre camadas, constituindo-se assim um elemento pré-moldado sensorizado de elevada resistência mecânica que poderá posteriormente ser embutido em paredes, pavimentos ou outros elementos construtivos (integrados na betonagem ou em revestimentos posteriores a argamassas ou betonilhas) ou simplesmente ficar directamente exposto em suportes semelhantes.

Exemplo 2 - Desenvolvimento de um pavimento para alerta de segurança em betão

Neste exemplo é considerado um método com as seguintes caracteristicas: i) Integração de sensores impressos piezoeléctricos em betão durante o processo de betonagem de acordo com o método da presente invenção. A estrutura de material cimenticio sensorizada contém especificamente os seguintes elementos: i) meios de acondicionamento de sinal (7) , um microcontrolador (8); ii) pelo menos um elemento actuador (10) , que consiste num actuador gerador de som e/ou um actuador de meios de iluminação; iii) os elementos sensores (1) consistem em sensores piezoeléctricos, à superfície do betão; iv) fibras ópticas para que a activação dos meios de iluminação seja visível à superfície do betão. São identificados sensores piezoeléctricos para integração no betão. Este tipo de sensores é encapsulado com recurso a resinas epóxi ou outras que permitam a protecção do sensor às agressões de uso e do processo de betonagem. A integração dos elementos sensores (1) no betão é efectuada com recurso a processo de betonagem bicamada, onde os elementos sensores (1) são integrados entre as duas camadas. A activação dos meios de iluminação permite emitir um aviso ou mensagem à superfície do betão. 0 sinal de controlo, para feedback na respectiva placa de betão, pode ser realizado através da utilização de cablagem (interligação física entre as placas de betão) ou em alternativa através de comunicação sem fios, como exemplo via radiofrequência (RF), Wi-fi, Bluetooth, ZigBee, ou outro tipo de protocolo de comunicações sem fios.

Num modo preferencial, é utilizado o ZigBee. Este protocolo de comunicação sem fios, considerando preferencial, implica a utilização de um transceptor integrado em cada um dos substratos (2) de betão, permitindo que comuniquem entre si. A título de exemplo de aplicação, considera-se o pavimento emissor de alertas de segurança, para aviso de condutores da aproximação de um peão em zona de passadeiras.

Numa forma de realização preferencial os meios de iluminação estão integrados na peça de betão, pela utilização de fibras ópticas que conduzem a luz emitida para a superfície do betão, garantindo as suas características e durabilidade.

Este conjunto está remotamente ligado a um sistema de gestão globalizado para controlo dos sensores à distância e personalização da forma de interação com o utilizador e actuação de elementos actuadores (10).

Exemplo 3 - Desenvolvimento de jogos interactivos em betão

Neste exemplo é considerado um método com as seguintes características: i) uniformização da superfície do material cimentício - betão; ii) impressão de sensores à superfície do betão; iii) integração de meios de acondicionamento de sinal (7), um microcontrolador (8) e pelo menos um elemento actuador (10), que consiste num actuador gerador de som e/ou num actuador de meios de iluminação; iv) integração de fibras ópticas no betão para que a activação dos meios de iluminação seja visível à superfície do betão.

Esta aplicação inclui o desenvolvimento de peças de betão com superfície uniforme por afagamento e rectificação mecânica após a betonagem, seguida de uma impermeabilização com base em silanos-siloxanos e resinas acrílicas compatíveis quimicamente com a tinta de impressão. A impressão de sensores à superfície do betão pode ser realizada com recurso a tintas com materiais condutores por exemplo a prata, carbono, níquel, ouro, platina, materiais poliméricos como por exemplo PEDOT:PSS. A impressão é efectuada por rotogravura ou serigrafia ou jacto de tinta. 0 sensor impresso à superfície do betão é protegido com recurso a tintas impermeabilizantes como por exemplo acrílicos ou silicatados ou por microbetão, argamassa ou revestimento cimentício compatível. A tecnologia ou a integração de sensores impressos em substratos poliméricos ou de sensorização dita tradicional no betão permite desenvolver demonstradores interactivos para utilização como peças de betão para mobiliário urbano interactivo ou revestimento de solo ou paredes. Estas peças de betão podem ser aplicadas a jogos interactivos, pela acção do toque ou proximidade.

Exemplo 4 - Leitura do batimento cardíaco por contacto com a superfície do betão

Neste exemplo é considerado um método com as seguintes características: i) Integração de sensores impressos BVP em betão durante o processo de betonagem de acordo com o método da presente invenção. A estrutura de material cimentício sensorizada contém especificamente os seguintes elementos: i) meios de acondicionamento de sinal (7), um microcontrolador (8) e meios de comunicação local e remota (9) ; ii) os elementos sensores (1) consistem em sensores BVP. A integração do sensor de BVP no betão é efectuada pela conexão aos terminais das fibras embutidas na peça.

Este esquema tem várias aplicações possíveis, sendo que a mais comum é a medição do ritmo cardíaco, através da detecção dos picos no fotopletismograma, mas também podem haver aplicações na detecção da variabilidade da frequência cardíaca (Heart Rate Variability ou HRV) ou em estudos de avaliação da resistência arterial e da elasticidade da aorta.

Outras aplicações do sensor podem ser desenvolvidas, uma vez que este permite obter informação vital. Por exemplo, em estudos de patologias do sono, sensores de BVP têm sido utilizados para extrair alguns parâmetros de despertar (arousal) durante o sono.

Todas estas funcionalidades, integradas no betão, tornam possível a monitorização destes parâmetros em por exemplo casas particulares, lar de idosos, por qualquer utilizador sem necessidade de recorrer a um técnico especializado.

Os dados obtidos são tratados e monitorizados por um sistema de gestão globalizado para controlo, sendo possível visualizar esses dados remotamente. No caso de os valores não corresponderem aos parâmetros normais (valores lidos ultrapassarem limites de referência) é enviado um alerta para um contacto definido pelo utilizador.

Como será evidente a um perito na especialidade, a presente invenção não deverá estar limitada aos modos de realização descritos no presente documento, sendo possíveis diversas alterações que se mantêm no âmbito da presente invenção.

Evidentemente, os modos preferenciais acima apresentados são combináveis, nas diferentes formas possíveis, evitando-se aqui a repetição de todas essas combinações. A invenção deve apenas ser limitada pelo espírito das reivindicações que se seguem.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Estrutura de material cimentício sensorizada caracterizada por conter pelo menos um substrato (2), uma pluralidade de elementos sensores (1) dispostos sobre o pelo menos um substrato (2) e por conter material cimenticio que envolve todo o conjunto.
2. Estrutura de material cimenticio sensorizada de acordo com a reivindicação anterior caracterizada por conter adicionalmente uma camada de material impermeabilizante (3) que cobre o conjunto da pluralidade de elementos sensores (1) e pelo menos um substrato (2).
3. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por a pluralidade de elementos sensores (1) estar disposta segundo uma superfície substancialmente paralela a uma superfície externa (4) da estrutura de material cimentício sensorizada.
4. Estrutura de acordo qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por a pluralidade de elementos sensores (1) ser uma pluralidade de elementos sensores (1) impressos sobre o pelo menos um substrato (2).
5. Estrutura de acordo com qualquer a reivindicação anterior caracterizada por o pelo menos um substrato (2) consistir num substrato de material não-cimentício.
6. Estrutura de acordo com qualquer a reivindicação anterior caracterizada por o material não- cimentício consistir num material polimérico, vidro, papel, derivados de papel ou material cerâmico.
7. Estrutura de acordo com a reivindicação 4 caracterizada por o pelo menos um substrato (2) consistir no próprio material cimentício ou numa lâmina de microbetão, sendo que a superfície de impressão da pluralidade de elementos sensores (1) no material cimentício forma substancialmente um plano finito paralelo à superfície externa (4) da estrutura.
8. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 7 caracterizada por os elementos sensores (1) consistirem em sensores capacitivos, indutivos, de actividade electrodérmica, de temperatura, de luminosidade ou de som.
9. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 caracterizada por os elementos sensores (1) consistirem em sensores de volume de pressão sanguínea e por conter fibras ópticas, dispostas de tal forma que uma das terminações de cada fibra óptica se encontra na superfície externa (4) da estrutura e a outra terminação à superfície de cada elemento sensor (1).
10. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por o material cimentício ser betão, argamassa ou microbetão.
11. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por conter vários planos paralelos entre si e à superfície externa, que por sua vez contêm uma pluralidade de elementos sensores (1), definindo uma malha tridimensional de elementos sensores (D .
12. Estrutura de acordo com a reivindicação anterior caracterizada por a pluralidade de elementos sensores (1) estar disposta de tal forma em que um elemento sensor central (5) está rodeado por pelo menos dois elementos sensores periféricos (6), com todos os elementos sensores (1) dispostos sobre uma linha que faz parte de um plano paralelo à superfície da estrutura de material cimentício sensorizada.
13. Estrutura de acordo com a reivindicação anterior caracterizada por conter pelo menos quatro elementos sensores periféricos (6), dispostos dois a dois segundo pelo menos duas linhas perpendiculares, que fazem parte de um plano paralelo à superfície da estrutura de material cimentício sensorizada e se intersectam no centro do elemento sensor central (5).
14. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por o material impermeabilizante (3) ser polimérico.
15. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por conter meios de acondicionamento de sinal (7), pelo menos um microcontrolador (8) e, opcionalmente, meios de comunicação local ou remota (9).
16. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por conter pelo menos um elemento actuador (10).
17. Estrutura de acordo com a reivindicação anterior caracterizada por adicionalmente conter fibras ópticas dispostas de tal forma que uma das terminações de cada fibra óptica se encontra na superfície externa (4) da estrutura e a outra terminação à superfície de cada elemento actuador (10), e por os elementos actuadores (10) consistirem em elementos geradores de luz.
18. Método de fabrico de estrutura de material cimentício sensorizada de qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por conter os seguintes passos: a) integração de uma pluralidade de elementos sensores (1) sobre pelo menos um substrato (2); b) inserção do conjunto de uma pluralidade de elementos sensores (1) e do pelo menos um substrato (2) encapsulado no interior de cofragem; c) enchimento com material cimentício.
19. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por conter adicionalmente o seguinte passo, realizado a seguir ao passo a): - encapsulamento do conjunto de uma pluralidade de elementos sensores (1) e do pelo menos um substrato (2) com um material impermeabilizante (3) .
20. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o passo a) consistir mais especificamente na impressão de uma pluralidade de elementos sensores (1) sobre pelo menos um substrato (2).
21. Método de fabrico de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a impressão consistir num ou em combinações dos seguintes métodos: - serigrafia; - rotogravura; - impressão por jacto de tinta em sistemas rolo a rolo e/ou folha a folha.
22. Método de fabrico de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21 caracterizado por, no caso o substrato (2) consistir num substrato não-cimentício, conter os seguintes passos: - faseamento de betonagem em betonagem de parede exterior e interior; - durante a preparação da betonagem da parede interior, de pluralidade de elementos sensores (1) impressos em pelo menos um substrato (2), após encapsulamento, são introduzidos no interior da cofragem; - na introdução do passo anterior, posicionamento de pluralidade de elementos sensores (1) impressos em pelo menos um substrato (2) com auxílio de espaçadores em material cimentício, e sua fixação por sistemas de molas ou equivalente às armaduras da cofragem; - introdução gradual do material cimentício de forma a não danificar os componentes de sensorização e peças acessórias; - utilização de negativos nas peças para colocação das caixas de ligação e assemblagem em pontos estratégicos previamente definidos em projeto; - betonagem de todo o conjunto com betão de acabamento à vista ou para revestimento, em função do dimensionamento e do tipo de acabamento previsto.
23. Método de fabrico de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21 caracterizado por, no caso de o substrato (2) consistir no próprio material cimenticio, a betonagem ser faseada por camadas de pré-fabricação de estruturas para utilização final contendo os seguintes passos: - colocação de betão numa primeira camada sendo o conjunto da pluralidade de elementos sensores (1) e de pelo menos um substrato (2) introduzida sob esta camada; - seguidamente, colocação de outra camada de betão.
24. Método de fabrico de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21 caracterizado por, a pluralidade de elementos sensores (1) ser incorporada previamente num substrato (2) pré-fabricado de material cimenticio, como microbetão, argamassa ou material compatível, contendo mais os seguintes passos: - pré-moldagem de material cimenticio e impressão da pluralidade de elementos sensores (1), com todos os pontos de conexão cobertos; - introdução da estrutura na construção da estrutura de material cimenticio sensorizada, como uma parede, pavimento, peça decorativa ou mobiliário, antes da sua betonagem ou revestimento final com materiais cimentícios ou outros; - fixação entre a armadura e a cofragem com recurso a ganchos de suporte e espaçadores no caso de elemento a betonar ou por colagem ao suporte para receber o revestimento final quando se tratar de aplicação sob um reboco, betonilha ou outro revestimento.
25. Método de operação da estrutura de material cimentício sensorizada das reivindicações 1 a 17 caracterizado por conter os seguintes passos: - detecção de estimulo externo à estrutura de material cimentício sensorizada através da pluralidade de elementos sensores (1); - acondicionamento dos sinais resultantes da pluralidade de elementos sensores (1); - processamento de sinais provenientes da pluralidade de elementos sensores (1) em pelo menos um microcontrolador (8) ; - actuação de elemento electrónico por parte do pelo menos um microcontrolador (8), sendo o elemento electrónico pelo menos um elemento actuador (10) e/ou meios de comunicação local ou remota (9).