2.1 Termografia infravermelha

A termografia infravermelha constitui uma ferramenta preditiva usada no diagnóstico precoce de falhas e outros problemas (estudo de análise de desempenho, a fim de predizer e apontar eventuais anomalias, auxiliando na manutenção preventiva). Os resultados são apresentados instantaneamente, durante a inspeção, na forma de imagens térmicas ou termogramas, que representam a distribuição da temperatura superficial do objeto observado e, como tal, registrados para fins das subsequentes providências, por parte dos interessados e posterior arquivamento (^{ITC, 2014}).

Os sistemas de termografia infravermelha captam a radiação térmica, representada no espectro eletromagnético, pelo fato de todos os corpos estarem a uma temperatura superior ao zero absoluto emitindo radiação, e convertem-na num termograma o qual possui uma escala policromática (cores) ou monocromática (cinza). O fenômeno da radiação infravermelha (IR) foi descoberto por William Herschel em 1800 e, em 1821, houve a descoberta do efeito termoelétrico por Thomas Johann Seebeck, que é a conversão direta da diferença de temperatura em tensão elétrica e vice-versa, sendo esse efeito a base para o funcionamento câmeras térmicas (^{Mistry, 2009}; ^{Viégas, 2015}). A radiação térmica emitida por um objeto e captado pela câmera térmica é dada pela lei de Stefan-Boltzmann (1).

E=qA=ε×σ×T4 (1)

Onde E é a radiação emitida pelo objeto (W/m²), q é o grau de emissão de energia (W), A é a área da superfície emissora (m²), T é a temperatura absoluta (K), σ é a constante de Stefan-Boltzmann de valor 5.676x10-8Wm-2K-4, e ε é a emissividade da superfície emissora, cujo valor está entre 0 e 1, e indica o quanto a superfície se aproxima do comportamento de um corpo negro, que seria uma superfície ideal onde a taxa de radiação seria máxima, logo 𝜀=1. (^{Çengel e Ghajar, 2012}).

Ademais, essa técnica pode ser classificada em ativa e passiva, de acordo com a excitação térmica utilizada. Na termografia ativa, um estímulo externo é necessário para gerar diferenças relevantes de temperatura. Diferentes técnicas podem ser empregadas para provocar um fluxo de calor no objeto de estudo, cada qual com características e limitações próprias. A escolha do tipo de estímulo térmico depende das características do objeto a ser testado e do tipo de informação a ser pesquisada (^{Batista, 2019}).

Em contrapartida, para utilização da termografia passiva, onde nenhuma estimulação artificial é utilizada, deve existir uma diferença natural de temperatura entre o objeto em estudo e o meio no qual ele está inserido, que frequentemente está a uma temperatura mais elevada. A análise pelo método passivo conta com as condições naturais da estrutura estudada e do seu entorno, sendo o calor do sol um fator determinante (^{Cortizo, 2007}). Portanto, conforme demostrado na Figura 1, as câmeras termográficas capturam a energia infravermelha emitida pelos objetos e convertem em um sinal elétrico e, finalmente, em uma imagem visível, em que cada nível de energia é representado em uma escala de cores (^{Meola e Carlomagno, 2004}).

Figura 1 Representação esquemática da situação da medição termográfica geral. 1) meio adjacente, 2) objeto, 3) atmosfera, 4) câmera. Tobj: temperatura do objeto, Trefl: temperatura refletida, Tatm: temperatura da atmosfera. Wobj: potência da radiação emitida pelo objeto, Wrefl: potência da radiação emitida pelo meio adjacente, Watm: potência da radiação emitida pela atmosfera (^{Caldeira e Padaratz, 2015}). 

Assim, essa técnica aplicada em edifícios pode ser utilizada para avaliar o conforto do revestimento do piso (^{Barreira et al., 2013}), detectar defeitos de isolamento, vazamentos de ar (^{Ocaña et al., 2004}) problemas de umidade (danos nos telhados, teor de umidade nas paredes), pontes térmicas (^{Asdrubali et al., 2012}), para inspecionar sistemas HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning), detalhes de construção (^{Cerdeira et al., 2011}; ^{Barreira et al., 2013}) e também, na inspeção predial (^{Brique, 2016}), conforme demonstrado na Figura 2.

Figura 2 Penetração de água da chuva: (a) imagen digital e (b) termograma (^{Rocha et al., 2018}). 

Em vista das variáveis destacadas na Tabela 1, quanto maior a resolução térmica (pixels) da câmera, é possível inspecionar áreas maiores com maior precisão. Assim, no uso de câmeras térmicas integradas ao VANT, as mesmas devem ter a melhor resolução possível. Ademais, o valor do IFOV (Instantaneous Field of View) e o ângulo de abertura da lente são um dos principais limitantes nos estudos envolvendo a análise de edifícios. Quanto maiores sejam estes parâmetros, menor será a resolução dos termogramas e a precisão do estudo. (^{Andrade et al., 2019}). Além disso, é necessário destacar que a inspeção é limitada apenas a uma aplicação passiva da termografia infravermelha, o que significaria que a inspeção da estrutura não seria possível todos os dias ou seria restrita a horários determinados localmente.

2.2 VANTs

Os Veículos Aéreos não Tripulados (VANTs) são segundo a ANAC (^{Agência Nacional de Aviação Civil, 2017}) qualquer aeronave não tripulada que pode ser remotamente pilotada, ou automatizada. Essas aeronaves são pilotadas remotamente ou de forma automática através da utilização de coordenadas pré-definidas. Trata-se de uma tecnologia em ascensão que a cada dia tem sua utilização disseminada em várias áreas (^{Nascimento, 2014}). Os primeiros desenvolvimentos para VANT começaram na década de 50 e destinavam-se exclusivamente para fins militares. Diferentes projetos foram iniciados em diversos países com o objetivo de produzir veículos capazes de transportar missões sem piloto a bordo de modo a evitar ainda mais perdas (^{Agostinho, 2012}). Com o passar do tempo a tecnologia passou a ser disseminada, e sua primeira utilização para um fim não militar ocorreu em 1986, para monitorar incêndios florestais em Montana nos Estados Unidos (^{Agostinho, 2012}). Nesse sentido, o crescimento do uso de VANT se dá devido ao baixo custo, agilidade de coleta de processamento, facilidade de manobra das aeronaves, e ao eficiente sistema de captura de imagem (Seibert e Teizer, 2014).

Além disso, os VANT são ferramentas eficazes para realização de procedimentos de sensoriamento remoto, sendo o principal argumento para o seu uso a capacidade de alcançar locais de difícil acesso, aliado a gama de sensores aplicáveis que podem ser incorporados ao mesmo, como câmara infravermelha, detecção de luz e sensores de distância (LIDAR, em inglês Light Detection And Ranging) (^{Freimuth e König, 2018}).

Em vista disso, atualmente no mercado existem dois tipos de VANTs, onde a diferença básica se refere ao sistema aerodinâmico, sendo ele de asa rotativa ou fixa. O primeiro se assemelha a um helicóptero ou multirotor, são aeronaves compactas de fácil operação e menor custo. Em contrapartida, os de asa fixa apresentam tamanhos variados de acordo com a funcionalidade. (^{Jorge e Inamasu, 2014}; ^{Melo e Costa, 2015}).

A Tabela 2 mostra que os UAVs usados ​​no processo de inspeção de construção em geral têm peso inferior a 150 kg. A autonomia de vôo, um fator dominante para o desenvolvimento do protocolo de vôo e eficiência no monitoramento de edifícios, é inferior a duas horas.

2.3 A termografia integrada ao VANT

Embora a termografia e os VANTs sejam alvo de diferentes pesquisas recentes, é ainda mais incipiente o estudo integrado de ambos. Analisar os benefícios relacionados a esses dois tópicos motiva a combinação de suas funcionalidades para obter benefícios mútuos (^{Entrop e Vasenev, 2017}). A câmera térmica integrada ao VANT é uma importante ferramenta para avaliar grandes áreas de forma automatizada e com reduzida demanda de tempo para a execução (^{Viana et al., 2018}). Os principais desafios dessa tecnologia são a baixa resolução de algumas câmeras termográficas, regulamentos que limitam as operações envolvendo VANT à linha visual e a alta dependência do clima (^{Witczuk et al., 2017}).

Além disso, os sensores de calor são uma opção de carga útil para geração de imagens térmicas aéreas de alta resolução. Esta tecnologia permite o levantamento rápido e seguro de áreas térmicas, muitas vezes presentes em terrenos inacessíveis ou perigosos (^{Harvey et al., 2016}). Essas imagens coletadas pelo VANT tem o potencial de se tornar uma ferramenta fundamental na ciência geotérmica, incluindo levantamentos geológicos, geoquímicos e geofísicos, linha de base para estudos e monitoramentos ambientais, geotécnicos e obras civis, destacando-se no caso desta pesquisa, a inspeção de edifícios. Tal tecnologia pode ser utilizada para o mapeamento de perda de calor, além de poder reunir informações térmicas, tais como vazamentos de calor, empregando uma câmera infravermelha e fazendo o processamento da imagem obtida. Embora, a realização das inspeções seja um processo menos difícil para edificações de pequena altura, coletar dados térmicos com o aumento da altura, notadamente em arranha-céus e telhados é muito mais complexo, sendo um processo perigoso (^{Kayan et al., 2018}). A termografia aérea é uma tecnologia que tem sido utilizada nos tempos recentes para gravar imagens térmicas sem a necessidade de acesso aos edifícios, além de ser capaz de alcançar uma área de difícil acesso, como os telhados, enquanto carrega câmeras infravermelhas e outros sensores (^{Chu et al., 2016}).

Portanto, a combinação da termografia por infravermelho com os VANTs permite que as tarefas de manutenção sejam otimizadas (^{Muñoz et. al., 2017}) e, consequentemente, trazendo vantagens econômicas significativas (^{Ramírez et al., 2018}). Tais aspectos se devem ao fato dos VANTs poderem ser equipados com câmeras de alta resolução permitindo aos usuários obter dados em tempo real. Ademais, as imagens aéreas que antes eram capturadas de um avião leve ou helicóptero, e o custo do combustível, são desvantagens que tornam os VANTs mais viáveis, uma vez que a fonte de energia para o seu voo pode ser facilmente recarregada (^{Lavars, 2015}). Assim, sendo equipado com uma câmera termográfica de alta resolução o VANT se torna uma excelente ferramenta para coletar informações térmicas de edifícios (^{Zhang et al., 2015}). Nesse sentido, a Figura 3, demonstra um modelo de VANT que já vem integrado com câmera digital em paralelo com a câmera termográfica, diferente de outros modelos em que é necessário remover a primeira para posteriormente instalar a segunda.

Figura 3 VANT com câmera termográfica acoplada à câmera digital. (^{Topdrone, 2020}). 

3.1 Vantagens e limitações

Na Tabela 3 são apresentadas as principais vantagens e limitações do uso da câmera termográfica integrada ao VANT de acordo com a literatura (^{Yehia et al., 2007}; ^{Agostinho, 2012}; ^{Sham et al., 2012}; ^{Jorge e Inamasu, 2014}; ^{Mavromatidis et al., 2014}; Seibert e Teizer, 2014; ^{Domingues, 2015}; ^{Melo e Costa, 2015}; ^{Pajares, 2015}; ^{Watase et al., 2015}; ^{Zhang et al., 2015}; ^{Ariwoola, 2016}; ^{Ellenberg et al., 2016}; ^{Hiasa et al., 2016}; ^{Rehman et al., 2016}; ^{Entrop e Vasenev, 2017}; ^{Muñoz et al., 2017}; ^{Witczuk et al., 2017}; ^{Freimuth e König, 2018}); ^{Ramírez et al., 2018}; ^{Andrade et al., 2019}).

Por meio da Tabela 3 é possível constatar que as principais vantagens do uso dessa tecnologia estão ligadas ao fato da otimização dos procedimentos de inspeção, obtendo dados em tempo real e em um menor intervalo de tempo. Em contrapartida, suas limitações estão relacionadas aos requisitos necessários para a obtenção de um termograma preciso, destacando-se as condições climáticas favoráveis e leituras efetuadas a partir de ângulos e distâncias que não interfiram nos resultados.

Por fim, um dos fatores preponderantes para o uso da termografia aérea está relacionado ao custo da operação e dos equipamentos, no entanto, realizando uma comparação dos benefícios dessa ferramenta, em relação aos métodos convencionais, verifica-se as suas potencialidades, visto a velocidade de obtenção dos dados e a segurança do responsável pela inspeção (^{Mavromatidis et al., 2014}; ^{Ariwoola, 2016}).

3.2 Fatores processuais referente à leitura térmica

A análise termográfica é um procedimento o qual o inspetor opera o termovisor, aponta-o para o objeto em inspeção e detecta o defeito através da análise do termograma obtido. Apesar da simplicidade aparente da técnica, a análise dos resultados pode ser complicada e até conduzir a conclusões erradas caso não sejam tomadas certas precauções antes e durante a realização do ensaio (^{Brique, 2016}). Logo, o próprio operador deve ter conhecimento da forte influência da radiação solar, do vento, da chuva, e na forma como esses fatores afetam a distribuição térmica do objeto analisado em ambiente aberto (^{Batista, 2019}).

Em vista disso, para se garantir a qualidade da imagem, a sensibilidade e o contraste térmico, é necessário estar atento a alguns fatores como a emissividade do material que é função da temperatura superficial e do ângulo de observação, na refletividade da superfície, função da radiação direta incidente e da radiação presença de fontes externas (sombras, reflexões), distância e ângulo de medição. (^{Barreira, 2004}; ^{Cortizo, 2007}; ^{Bauer, 2015}; ^{Viégas, 2015}; ^{Batista, 2019}). Outrossim, o calor irradiado pelo sol pode afetar a medição termográfica, pois altera o fluxo normal de calor do interior para o exterior. A distância do equipamento ao objeto pode alterar a leitura da temperatura superficial, pois diminui a resolução dos termogramas e influencia a atenuação atmosférica (^{Labat et al., 2011}).

Em relação ao horário de inspeção, foi verificado que há divergências entre os autores, mas que esse parâmetro depende das condições ambientais do local do objeto em estudo (^{Rocha e Póvoas, 2017}). Nesse sentido, foi verificado comportamentos distintos em relação aos períodos de medição (seco e chuvoso), aos horários 8h, 15h e 21h (^{Freitas et al., 2014}). Em outros casos, foram realizadas medições em horários distintos no período da manhã e da tarde (^{Nascimento, 2014}), visto que a emissividade de materiais não compostos por metais diminui com o aumento da temperatura (^{Barreira, 2004}). Houve ainda casos em que se optou por verificar as medições durante todo o dia (6-18h), a fim de avaliar os melhores horários de medição, tanto na parte da manhã como da tarde (^{Viégas, 2015}).

Por fim, alguns autores (^{Uemoto, 2000}; ^{Watase et al., 2015}; ^{Hiasa et al., 2016}) recomendam a inspeção durante a noite para eliminar os efeitos da radiação solar, e ter uma melhor visão entre o defeito e as regiões intactas, evitando falsas detecções (^{Rocha e Póvoas, 2017}).

Além disso, os gradientes térmicos e a turbulência alteram o índice de refração do ar provocando uma redução na qualidade da imagem. Em paralelo, a atmosfera presente entre a fonte emissora e o receptor pode originar perturbações na medição. Logo, deve-se manter a distância de 10 metros entre a fonte emissora e o receptor, corrigindo-se as medições feitas com distâncias superiores (^{Barreira, 2004}; ^{Comitti, 2012}; ^{Viégas, 2015}). Ademais, em dias com ventos acima de 7m/s não se deve realizar medições com termografia infravermelha, pois os dados obtidos induzirão ao erro da análise térmica do objeto (^{ITC, 2014}).

De acordo com a norma NBR 15572 (^{ABNT, 2013}), é necessário que o ângulo entre o termovisor e o ponto inspecionado seja o mais perpendicular possível, para que não haja redução na emissividade devido aos ângulos de observação inadequados (maiores que 60º).

Assim, ^{Viégas (2015}) afirma que não se deve permanecer diretamente na frente do alvo para que não haja reflexão do calor do termografista, para tanto é recomendado posicionar-se a uma angulação de mais ou menos 5º, com relação à horizontal do objeto a ser analisado termicamente, conforme a Figura 6.

Figura 6 Ângulos de medição: cuidados (^{Viégas, 2015}) 

3.3 Protocolo de voo

O planejamento e desenvolvimento do projeto poderá variar consoante a capacidade de voo, sendo influenciando pela a precisão e a trajetória dos mesmos (^{Agostinho, 2012}). Todavia, percebe-se que as ferramentas de preparação de voo comercialmente disponíveis, em alguns casos ainda são insuficientes para se realizar determinadas inspeções, cabendo ao operador criar suas próprias ferramentas e o seus protocolos (Seibert e Teizer, 2014). Em decorrência disso, o protocolo abaixo, Figura 7 e Tabela 4, foi desenvolvido baseado no trabalho de diversos autores (^{Agostinho, 2012}; ^{Siebert e Teizer, 2014}; ^{Ariwoola, 2016}; ^{Ellenberg et al., 2016}; ^{Entrop e Vasenv, 2017}; ^{Freimuth e König, 2018}).

Figura 7 Etapas do protocolo de voo. 

Analisando-se a Tabela 4 verifica-se que a etapa inicial está relacionada aos pré-requisitos para se realizar a inspeção utilizando a câmera termográfica integrada ao VANT, verificando a regulamentação de tais equipamentos no local onde será efetuado o procedimento, as condições climáticas, sendo necessário ventos inferiores a 7 m/s e não recomendado sua realização em dias nublados, ter conhecimento do objeto a ser estuado, como dimensões e localização, e a partir daí realizar as escolhas dos equipamentos que garantam uma autonomia de voo para tal procedimento. Posteriormente, deve-se determinar a área que o VANT estará se deslocando ao longo da inspeção, estando-se atento as áreas de riscos, tais como: fluxo de pessoas, animais e obstáculos, e estabelecendo os ângulos e as distâncias em que as leituras serão efetuadas, de tal forma que as distâncias não sejam superiores a 10 metros e que os ângulos obedeçam o que foi discutido em 3.1, assegurando a precisão dos dados obtidos. A partir daí, deve-se construir o caminho que será percorrido pelo VANT de tal forma que não haja deslocamento em áreas de riscos, e que o aparelho possua uma autonomia de voo suficiente, sendo possível concluir a trajetória com 75% de carga na bateria, visto a energia consumida nos procedimentos de pouso e decolagem. Por fim, concluída as etapas anteriores pode-se realizar a inspeção.

3.4 Análise de dados na literatura

Verificou-se que apesar da simplicidade de se utilizar o termovisor para obter termogramas durante as inspeções, se não forem levadas em consideração as interferências e as condições ambientais nas quais as imagens foram obtidas, a análise e a interpretação dos termogramas podem levar a conclusões equivocadas (^{Takeda e Mazer, 2018}). Além disso, foi constatado que, quanto maior e mais superficial a área do defeito, a detecção é mais fácil (^{Rocha e Póvoas, 2017}). Nesse sentido, foi constatado que se a relação R/d (R: dimensão curta do defeito e d: profundidade do defeito desde a superfície) for maior do que 1, os defeitos são encontrados; caso esta relação R/d for igual a 0,45, são detectáveis até uma profundidade de 10 centímetros (^{Farrag et al., 2016}). Ademais, nos perfis térmicos apresentado nos termogramas das alvenarias havia uma nítida variação na temperatura superficial. Tal diferença térmica encontrada denota a presença de diferentes materiais no interior da alvenaria, devido as propriedades físicas e químicas bastante distintas (^{Cortizo, 2007}).

Além disso, foi verificado na inspeção de uma estrutura com revestimento cerâmico que as melhores medições foram obtidas após a fachada ter sido aquecida (técnica passiva), e que o termograma na parte da tarde teve melhor nitidez comparado com o termograma na parte da manhã (^{Viégas, 2015}). Em um momento posterior, estudando uma edificação revestida com argamassa, constatou-se que os melhores horários para medição foram entre 11-12h e 17-18h, além de se verificar uma coloração de amarelo “mais vibrante” na região com presença de descolamento de revestimento. Isto porque, na referida região há uma elevação da temperatura com relação ao restante da fachada revestida com argamassa sem presença de manifestações patológicas. E por fim, realizando o monitoramento de uma estrutura revestida com azulejo, os melhores horários para medição foram entre 9-10h e 14-15h (^{Viégas, 2015}). E assim, corroborando com o que foi afirmado em 3.1, no que se refere aos horários de medição.

Observou-se também uma leve tendência de haver maiores diferenças de temperatura (entre as regiões com e sem fissuras) nas áreas mais aquecidas, assim como se verificou maior dispersão dessas variações medidas para as áreas mais quentes (^{Freitas et al., 2014}). Ademais, num primeiro momento foi considerado que pelo menos uma distância de 5 metros, entre o VANT e os objetos de pesquisa era segura. Todavia na realização dos ensaios, essa distância foi aumentada para 10 metros, garantindo tanto a veracidade dos dados obtidos, quanto a segurança da aeronave (^{Entrop e Vasenev, 2017}). Outrossim, a realização de simulações e criação de modelos voo proporcionam uma inspeção mais precisa e um melhor rendimento por parte do VANT, visto as características de velocidade e necessidade de recarga da bateria (^{Freimuth e König, 2018}).