Hvordan måler du brosikkerhed? Godt kryds den, når vi kommer til det

Du er hundrede gange mere tilbøjelig til at dø af at blive ramt af lynet, end du er af en bro, der kollapser.

Hvilket er en morbid måde at sige, at broer generelt er meget sikre strukturer, med chancerne for et dødsfald ved et kollaps overalt i verden på én ud af hundrede millioner om året.

Men lige så imponerende som moderne teknik er blevet, er det ikke en perfekt videnskab. Sammenbruddet af motorvejsbroen i Genova, Italien, som kostede 43 mennesker livet i 2018, og de 35 mennesker, der mistede livet i Melbournes West Gate Bridge-kollaps i 1971, er tragiske påmindelser om de risici, der er forbundet med offentligt arbejde.

Dr. Mehridat Makki Alamdari er seniorlektor ved School of Civil and Environmental Engineering, UNSW Sydney. Hun har brugt det sidste årti på at inspicere broer, analysere deres data og finde mere effektive måder at udføre strukturelle sundhedsvurderinger for at sikre, at de forbliver sikre. Et af de nye projekter, hun arbejder på, er at udvikle et køretøjsmonteret sensorsystem, der suser hen over broer for at skabe et øjebliksbillede af deres sundhed og sikkerhed.

Dr. Makki Alamdari siger, at alle Australiens 53.000 broer – fra Sydney Harbour til Swan River og alt derimellem – bliver visuelt inspiceret i det mindste hvert år. Men stigende trafikmængder og større, tungere køretøjer har øget den belastning, som broer nu skal bære. Tilsynsmyndigheder og regeringer er mere end nogensinde nødt til at komme med pålidelige forudsigelser om brosikkerhed, som kræver flere ressourcer og flere midler til deres vedligeholdelse.

"Rundt omkring i verden har vi så mange forringede broer, som nærmer sig slutningen af ​​deres levetid, men de forskellige vejmyndigheder har ikke nok finansiering til at rive alle disse broer ned og bygge dem fra bunden," siger Dr. Makki Alamdari.

Alternativet er at forlænge broens levetid ved regelmæssigt at vurdere dem for offentlig sikkerhed og reparere dem efter behov. I Australien er denne opgave delt mellem lokale og statslige myndigheder.

Hvordan de vurderes, varierer fra bro til bro. Den mest almindelige, low-touch-metode er visuelt at inspicere hver bro en gang om året eller mere regelmæssigt, som sagen dikterer. Dette kan være egnede broer, der har relativt lave trafikmængder, men hvad med en struktur som Sydney Harbour-broen, der krydses af 58 millioner køretøjer om året, eller ældre broer i regionale områder, der nu tager meget større byrder, end de blev designet for?

Føler fare

For Harbour Bridge og andre ikoniske brostrukturer i stor skala rundt om i verden er myndighederne afhængige af en kombination af visuelle inspektioner, teknologi som CCTV og specielle sensorer stationeret med mellemrum langs broen. Sensorerne leverer en kontinuerlig strøm af data, som ingeniører bruger til at identificere eventuelle opståede defekter eller strukturelle svage punkter.

Dr. Makki Alamdari, som før arbejdet på UNSW var forskningsstipendiat for CSIRO, der analyserede data om Sydney Harbour Bridge, siger, at det i sidste ende handler om at se efter skiftende mønstre i de vibrationer, som sensorerne opfanger, og derefter handle, når det er nødvendigt.

"Denne tilgang er blevet implementeret på stor, ikonisk infrastruktur som Sydney Harbour Bridge og for nylig Gateway Bridge i Brisbane, såvel som mange broer i Kina og rundt om i verden," siger Dr. Makki Alamdari.

Selvom dette kan betyde, at potentielle sikkerhedsproblemer fra slitage kan identificeres og reageres tidligt, er systemet dyrt og indebærer mange omkostninger som kabling, overvågning, elektricitetsbelastning og analysesystemer, for ikke at nævne udskiftning af komponenter hvert par år som eksponering for elementerne kræver sit vejafgift.

Dr. Makki Alamdari siger, at for en lille bro med en spændvidde på 50 m ville det koste omkring 200.000 $ at installere et omfattende sensorsystem, men et lokalråd har muligvis kun et årligt budget til en tiendedel af dette for hver bro.

"Det giver virkelig ikke kommerciel mening at anvende dette på et stort antal broer. Og problemet, vi står over for i Australien, er, at mange af disse forringede broer med kortere spændvidde er i regionale områder.

"Desværre kører nogle overbelastede lastbiler omveje over disse regionale broer for at undgå vejestationer på mere direkte ruter. Dette kan forårsage betydelige skader på broer i landdistrikter, der ikke er bygget til at tage disse laster."

Så hvis sensorer er for dyre og arbejdskrævende, og en visuel inspektion hvert år kan være utilstrækkelig, søger vejmyndigheder og ingeniører alternative metoder, der er bæredygtige og samtidig sikrer sikkerheden.

Mobile sensorer

Dr. Makki Alamdari trækker på sin ekspertise inden for strukturel sundhedsovervågning og vibrationsanalyse for at udvikle en ny mobilteknologi, der skaber balance mellem effektivitet og økonomi.

I stedet for at fylde en bro op med dyre sensorer, hvad nu hvis du skulle sætte sensorer på køretøjer, der måler broens tilstand, når de passerer over den?

Denne idé blev først fløjet for mere end et årti siden og fungerer perfekt på papiret, men ingen har demonstreret det i den virkelige verden. Dr. Makki Alamdari og hendes kolleger kommer tættere på at se dette blive en realitet.

"Min DECRA-opgave er at komme med avancerede signalbehandlingsteknikker til at udtrække vibrationsresponsen fra et køretøj i bevægelse og derefter bygge en datadrevet algoritme ved hjælp af maskinlæring og kunstig intelligens til at kompilere en database om nøgleindikatorer for broens strukturelle sundhed." siger hun.

Hendes team bruger i samarbejde med partnere ved Kyoto University (Japan) en skråstagsbro med en spændvidde på omkring 50 m til at teste et lille prototype køretøj.

"Det næste trin i vores test er gradvist at indføre kunstig skade i broens struktur og verificere, at vores signaler afslører denne skade, udelukkende ved at behandle køretøjets respons."

Det specialbyggede køretøj, som Dr. Makki Alamdaris team bruger til at udføre deres test, ligner lidt en miniature Formel 1-bil.

Bilen er udstyret med flere accelerometer og vejeceller til at måle køretøjets dynamiske respons, når det bevæger sig over broen, samt måling af interaktionskraften mellem køretøjet og broen. Der er også et dataopsamlingssystem ombord til at logge data i realtid. Den kan nå en hastighed på 10 meter i sekundet, men for de bedste resultater viser tests, at køretøjets hastighed bør holdes på omkring 2 meter i sekundet.

"Bilen vil bevæge sig frem og tilbage mange gange for at samle et rigt datasæt af broen," siger Dr. Makki Alamdari. "Når data er indsamlet, vil de blive analyseret offline på kontoret for at se, om der er nogen uregelmæssigheder sammenlignet med benchmarktilstanden."

Bro til fremtiden

Det er usandsynligt, at denne mobile sensorteknologi til broer vil være kommercielt tilgængelig i slutningen af ​​Dr. Makki Alamdaris DECRA-stipendium om to år. Men indtil videre har det vist meget lovende.

"I laboratoriet har vi bevist, at vi kan overvåge broens sundhedsstatus ved hjælp af denne teknologi," siger hun.

"Men i marken er det altid en anden historie, for fra min erfaring med arbejdet på Sydney Harbour Bridge ved jeg, at der er en masse uventede udfordringer. Så det er noget, jeg vil udforske og se, hvor meget vi kan indsnævre afstanden mellem vores laboratorietest og i marken."

Dr. Makki Alamdari håber på, at mobile sensorkøretøjer kan være kommercielt tilgængelige i slutningen af ​​årtiet.

"For at få det til det krævede niveau kræver det en masse arbejde i forhold til at fremme og justere parametrene for din algoritme og øge følsomheden af ​​dine sensorer. Alle disse ting skal være helt rigtige for at sikre, at teknologien fungerer på den måde, vi har tænkt os. ." + Udforsk yderligere

Sofistikerede sensorer holder broer, dæmninger og bygninger sikre