L'integrità strutturale dei ponti può essere misurata in tempo reale per motivi di sicurezza?

A seguito di questa domanda , mi chiedo se le informazioni di monitoraggio dell'integrità strutturale possano essere fornite in tempo reale e in misura sufficiente da poter realisticamente prendere decisioni sulla sicurezza dalle informazioni.

Per mettere le cose nel contesto, negli Stati Uniti e in altre parti del mondo i governi federali, statali e locali ricevono regolarmente rapporti di integrità strutturale sulle infrastrutture, compresi i ponti. Questi rapporti sono il risultato di valutazioni che vengono eseguite su base programmata e possono essere diversi mesi o forse anni tra le valutazioni.

I ponti sono una parte importante dell'economia del governo federale, statale e locale poiché forniscono infrastrutture critiche. È anche importante proteggere i segni di terra storici come il Golden Gate Bridge.

_{Golden Gate Bridge, un ponte iconico negli Stati Uniti}

E le conseguenze di informazioni insufficienti possono essere piuttosto gravi. Ad esempio, nell'agosto del 2007 il ponte sul fiume Mississippi I-35W è crollato, causando la perdita di molte vite.

_{I-35W dopo il crollo}

Domanda:

• Esistono tecnologie in grado di fornire lo stato in tempo reale in modo tale da poter avvertire i governi federali, statali e locali di imminenti guasti ai ponti? Ad esempio, c'è qualcosa che avrebbe potuto prevedere il crollo della I-35 e notificato al pubblico al fine di evitare la perdita della vita? Sembra che questo sensore wireless per monitorare l'integrità strutturale dei ponti funzionerebbe, ma non sono sicuro poiché il dominio è al di fuori della mia esperienza.

Esistono molti sensori diversi che possono essere posizionati su un ponte per monitorare le sue condizioni . Dopo il crollo del ponte I-35, quest'area ha visto molta pubblicità . La maggior parte di questi sensori era precedentemente disponibile, ma la necessità non era così evidente per il pubblico.

sensori

• Accelerometri
• Estensimetri
• Trasduttori di spostamento
• Stazioni di rilevamento del livello (monitor di inclinazione)
• Anemometri
• Sensori di temperatura
• Sensori di peso dinamico in movimento
• Monitor di corrosione
• Monitor di crepe acustiche
• Monitor per cavi acustici

Questi sensori possono essere cablati o wireless. Alcuni sono persino alimentati dalle vibrazioni dei veicoli di passaggio.

Costo

Il costo è un fattore importante nel considerare un sistema di monitoraggio a ponte. Anche se il costo iniziale sembra ragionevole :

I sensori sono piccoli, wireless, robusti e non richiedono praticamente alcuna manutenzione, afferma. Dovrebbero durare più di un decennio, con un costo di circa $ 20 ciascuno . Un ponte autostradale di medie dimensioni avrebbe bisogno di circa 500 sensori per un costo totale di circa $ 10.000.

Ciò non tiene conto del costo del monitoraggio continuo dei sensori. Il monitoraggio in tempo reale è costoso e anche meno del monitoraggio in tempo reale impone un drenaggio costante sui budget del Dipartimento dei trasporti che sono già troppo sottili. Se ci fossero più soldi nel budget, i ponti sarebbero in condizioni migliori.

Questi ponti sono già controllati regolarmente da ispettori addestrati che si arrampicano su tutta la struttura. Ciò è stato fatto sul ponte I-35 ed è ancora crollato.

Il costo e la complessità dei sistemi significano che solo poche strutture molto grandi sarebbero completamente monitorate. Il costo di questi sistemi è probabilmente superiore all'importo sopra elencato. Il valore sopra è anche solo il costo dei singoli sensori. Uno studio completo del ponte dovrebbe essere fatto per assicurare che i sensori siano posizionati nei punti in cui sarebbero più utili.

Posizione

Ogni sensore misura solo un singolo punto dati. Ci dovrebbero essere molti pensieri e ricerche per determinare quali sensori sono i più vantaggiosi.

Anche dopo che i sensori sono stati posizionati, dovrebbero essere stabiliti criteri globali in modo che le persone che monitorano i risultati dei sensori sappiano cosa costituisce un avvertimento . Potrebbero esserci molti falsi positivi e forse anche falsi negativi.

Come sottolinea un articolo :

In definitiva, aggiunge Fu, il telerilevamento in tempo reale servirà da prezioso complemento, ma non sostituirà completamente le ispezioni umane. "Non è possibile posizionare sensori ovunque", afferma.

Risultato finale

Anche se tutti questi sensori fossero installati sul ponte I-35 e monitorati in tempo reale, l'effettivo collasso si è verificato così rapidamente che il traffico non sarebbe stato in grado di essere fermato in tempo. L'unica differenza sarebbe che ci sarebbero state molte più informazioni per gli investigatori.

Pensa alla scatola nera di un aereo , ma per un ponte.

È possibile eseguire il monitoraggio in tempo reale ed è già stato fatto. La tecnologia è lì e, come sottolineato da hazzey, è una questione di costi rispetto al rischio.

Come ingegnere praticante, sono / sono stato coinvolto in due progetti di scavo profondo in due diversi paesi in cui è stato / costruito un tunnel tagliato e coperto proprio sotto un grande ponte autostradale. In entrambi i casi, la chiusura o la deviazione del traffico non è un'opzione. Le autorità edilizie in entrambi i progetti hanno richiesto il monitoraggio della salute strutturale in tempo reale poiché le conseguenze di un incidente possono essere catastrofiche.

In entrambi i progetti, una serie di prismi ottici insieme a stazioni totali robotiche sono impiegati per monitorare i movimenti del molo del ponte. Le stazioni totali sono collegate in rete a un server in cui i dati vengono caricati continuamente. Il server stesso è connesso a Internet, dove le parti interessate possono scaricare i dati ed elaborare le informazioni. Inoltre, alcuni sistemi possono generare avvisi SMS in caso di violazione di un livello predeterminato.

Prima di effettuare qualsiasi monitoraggio, è necessario effettuare una valutazione di impatto / danno per determinare:

• il movimento del suolo previsto (orizzontale e verticale) alla base del ponte in base al metodo di costruzione
• il tipo di forze che verranno indotte sulle pile
• la capacità strutturale delle pile esistenti come determinato dai disegni costruiti
• il carico esistente sulle pile durante il servizio
• la capacità di riserva delle pile
• il movimento laterale consentito e l'insediamento della fondazione del ponte

Questo è seguito da un'indagine sulle condizioni per valutare lo stato di salute attuale del ponte. Di solito include l'ispezione visiva per le crepe e le misurazioni sui movimenti dei cuscinetti del ponte.

I ponti in cemento armato e acciaio, in circostanze normali, non richiedono un monitoraggio in tempo reale poiché non si guastano improvvisamente. I ponti che sono stati progettati correttamente tendono a fallire nella manutenzione prima di fallire strutturalmente, dando sufficiente preavviso prima del collasso. Inoltre, l'ispezione e la manutenzione regolari dei ponti aiutano a garantire che i ponti rimangano riparabili.

Con dati sufficienti, il monitoraggio in tempo reale può catturare la tendenza dei movimenti a lungo termine e appianare gli errori di lettura. In caso di progettazione fatale, errore umano nell'interpretazione dei registri delle indagini o errore umano nella valutazione della capacità strutturale del ponte, il monitoraggio in tempo reale non sarebbe di grande aiuto per evitare un disastro.

Il monitoraggio strutturale con sensori è infatti possibile. I problemi sono il costo del monitoraggio e quali parti possono essere effettivamente monitorate.

Più un ponte è critico, più è probabile che valga la pena pagare il costo del monitoraggio (la criticità è dovuta principalmente al numero di veicoli che attraversano al giorno, ma anche alla disponibilità di percorsi alternativi e alla sua lunghezza (cioè il numero di veicoli) che può essere su di esso durante il collasso) svolgere un ruolo). Un grande ponte costruito in questi giorni probabilmente avrà una sorta di monitoraggio integrato, come notato nell'articolo che hai collegato, e un esempio di ciò è il Forth Replacement Crossing (ora chiamato Queensferry Crossing). Alcuni ponti hanno avuto sistemi di retrofit, come l' attuale Forth Road Bridge , che ha un monitoraggio acustico per ascoltare lo schiocco dei cavi.

È molto probabile che i ponti esistenti siano dotati di monitoraggio se una valutazione dimostra che vi è motivo di preoccupazione. Se una valutazione del ponte rileva che una parte del ponte si sta deteriorando, può raccomandare ispezioni più frequenti o l'installazione del monitoraggio. A causa del costo del monitoraggio, ciò può avvenire solo sui principali ponti.

Quindi, il monitoraggio avrebbe potuto impedire il collasso della I35-W?

Innanzitutto: I35-W, sebbene non un piccolo ponte, non era sulla stessa scala del Golden Gate Bridge o dei ponti Forth. È stato quindi possibile installare il monitoraggio solo se il ponte era stato identificato come carente. E ciò non era accaduto perché le ispezioni e le valutazioni di routine del ponte non avevano notato che una piccola piastra di collegamento era sottodimensionata. Il tuo link ai sensori sembra suggerire che ora potrebbero essere disponibili nuovi sensori più economici. Non riesco ancora a vedere i costi come abbordabili dato il numero di ponti su cui ciascuna autorità ha il controllo, ma forse per un lungo periodo (diciamo 50 anni perché il budget potrebbe allungarsi al 2% dei ponti di un'autorità all'anno - numeri strappato completamente dall'aria da me) potrebbe succedere.

Secondo: non credo che la maggior parte del monitoraggio sia in tempo reale. Anche se sono sicuro che i sistemi di monitoraggio hanno allarmi automatici che si spengono se si verificano movimenti significativi, faccio fatica a credere che qualcuno avrebbe una risposta particolarmente veloce ad esso. Più che probabile, un allarme di sistema provocherebbe qualcuno che avrebbe dato un'occhiata, forse lo stesso giorno forse no. Principalmente i sistemi sono lì per esaminare le questioni a lungo termine. Prendendo ad esempio il Forth Road Bridge - il monitoraggio acustico è lì per registrare il "ping" da un filo che si spezza. Ci sono alcune migliaia di singoli fili che compongono i cavi di sospensione. Il monitoraggio acustico è lì in modo che qualcuno possa guardare i risultati e dire "sembra che 63 siano scattati negli ultimi sei mesi, forse dovremmo pensare di fare qualcosa per ridurre il carico". Io non Penso che sia davvero lì con l'aspettativa che registrerà 100 schiocchi in un giorno, con conseguente chiusura istantanea del ponte. (Il Forth Road Bridge chiude a causa del forte vento alcune volte all'anno - hanno un sistema adeguato per chiuderlo).

Terzo: il rapporto ufficiale sul crollo suggerisce che il fallimento è stato molto improvviso: c'è stato forse un avvertimento di 10 secondi. Anche con il monitoraggio in tempo reale, devi a) ricevere risultati, b) determinare che sono catastroficamente cattivi (facile se hai i 100 ping nell'esempio Forth, difficile se hai accelerometri secondo il tuo link, che potrebbe dirti che il ponte si è mosso di 0,05 gradi) ec) portare la polizia là fuori per chiudere il ponte. Stima del tempo totale: 10 minuti se sei molto fortunato. Non 10 secondi. (E probabilmente più simile a 3 mesi se si imposta il monitoraggio per effetti a lungo termine e non si è sicuri se gli 0,05 gradi siano significativi o meno, perché il sistema non è stato impostato per quello.)

Dichiarazione di non responsabilità - Ho cercato di inserire fatti e riferimenti dove posso, ma le conclusioni effettive a cui sono giunto sono fortemente basate sulle mie opinioni e non sono fatti semplici.