Tính toàn vẹn cấu trúc của cầu có thể được đo trong thời gian thực cho an toàn không?


8

Theo dõi câu hỏi này , Tôi tự hỏi liệu thông tin giám sát toàn vẹn cấu trúc có thể được cung cấp theo thời gian thực và ở mức độ đủ để các quyết định an toàn có thể được đưa ra một cách thực tế từ thông tin đó hay không.

Để đặt mọi thứ trong bối cảnh, ở Hoa Kỳ và các bộ phận khác của chính phủ liên bang, tiểu bang và địa phương trên thế giới thường xuyên nhận được báo cáo toàn vẹn về cấu trúc trên cơ sở hạ tầng, bao gồm cả cầu. Các báo cáo này là kết quả của các đánh giá được thực hiện trên cơ sở theo lịch trình, và nó có thể là nhiều tháng hoặc có thể nhiều năm giữa các lần đánh giá.

Cầu là một phần quan trọng của nền kinh tế chính phủ liên bang, tiểu bang và địa phương kể từ khi họ cung cấp cơ sở hạ tầng quan trọng. Nó cũng quan trọng để bảo vệ các dấu mốc đất lịch sử như Cầu Cổng Vàng.

Golden Gate Bridge Picture 1
Cầu Cổng Vàng, một cây cầu mang tính biểu tượng ở Hoa Kỳ

Và hậu quả của thông tin không đầy đủ có thể khá nghiêm trọng. Ví dụ: vào tháng 8 năm 2007 Cầu sông I-35W Mississippi sụp đổ, dẫn đến mất nhiều mạng sống.

bridge collapse 2007
I-35W sau sự cố sập


Câu hỏi:

  • Có công nghệ nào có thể cung cấp trạng thái thời gian thực để chúng có thể giúp báo trước các chính phủ liên bang, tiểu bang và địa phương về các sự cố cầu sắp xảy ra không? Ví dụ, có điều gì có thể dự đoán về sự sụp đổ của I-35 và thông báo cho công chúng để tránh mất mạng? Có vẻ như thế này cảm biến không dây để giám sát tính toàn vẹn cấu trúc của cầu sẽ hoạt động, nhưng tôi không chắc chắn vì tên miền nằm ngoài kinh nghiệm của tôi.

Sẽ rất thú vị khi biết không chỉ các cảm biến liên quan, mà còn cả cách phân phối chúng trên toàn cấu trúc. Thất bại có thể xảy ra vì nhiều lý do và ở nhiều nơi khác nhau. Biết Ở đâu để đo lường có thể cũng quan trọng như cân đo.
Paul

Câu trả lời:


6

Có nhiều cảm biến khác nhau có thể được đặt trên một cây cầu để giúp đỡ theo dõi tình trạng của nó . Sau vụ sập cầu I-35, khu vực này đã thấy một nhiều công khai . Hầu hết các cảm biến đã có sẵn trước đây, nhưng nhu cầu không rõ ràng đối với công chúng.

Cảm biến

  • Gia tốc kế
  • Đo sức căng
  • Đầu dò dịch chuyển
  • Trạm cảm biến mức (Màn hình nghiêng)
  • Máy đo gió
  • Cảm biến nhiệt độ
  • Cảm biến trọng lượng động
  • Màn hình ăn mòn
  • Màn hình Crack Crack
  • Màn hình cáp âm

Những cảm biến này có thể có dây hoặc không dây. Một số thậm chí được cung cấp bởi các rung động từ các phương tiện đi qua.

Giá cả

Chi phí là một yếu tố chính trong việc xem xét một hệ thống giám sát cầu. Ngay cả khi chi phí ban đầu dường như hợp lý :

Các cảm biến này nhỏ, không dây, chắc chắn và thực tế không cần bảo trì, ông nói. Chúng dự kiến ​​sẽ kéo dài hơn một thập kỷ, với mỗi cái có giá khoảng $ 20. Một cây cầu đường cao tốc cỡ trung bình sẽ cần khoảng 500 cảm biến với tổng chi phí khoảng 10.000 đô la.

Điều này không tính đến chi phí tiếp tục theo dõi các cảm biến. Giám sát thời gian thực rất tốn kém và thậm chí ít hơn so với giám sát theo thời gian thực gây ra sự hao hụt liên tục cho ngân sách của Bộ Giao thông Vận tải vốn đã quá mỏng. Nếu có nhiều tiền hơn trong ngân sách, các cây cầu sẽ ở trong tình trạng tốt hơn.

Những cây cầu này đã được kiểm tra thường xuyên bởi các thanh tra viên được đào tạo leo lên khắp cấu trúc. Điều này đã được thực hiện trên cây cầu I-35 và nó vẫn bị sập.

Chi phí và độ phức tạp của các hệ thống có nghĩa là chỉ một vài cấu trúc rất lớn sẽ được giám sát đầy đủ. Chi phí của các hệ thống này có thể nhiều hơn số tiền được liệt kê ở trên. Giá trị trên cũng chỉ là chi phí của các cảm biến riêng lẻ. Một nghiên cứu đầy đủ về cây cầu sẽ phải được thực hiện để đảm bảo rằng các cảm biến được đặt ở những vị trí có ích nhất.

Vị trí

Mỗi cảm biến chỉ đo một điểm dữ liệu duy nhất. Sẽ phải có rất nhiều suy nghĩ và nghiên cứu để xác định cảm biến nào có lợi nhất.

Ngay cả sau khi các cảm biến được đặt, một tiêu chí toàn diện sẽ phải được đặt ra để những người theo dõi kết quả cảm biến sẽ biết cái gì tạo thành cảnh báo . Có thể có nhiều dương tính giả và thậm chí có thể phủ định sai.

Như một bài báo chỉ ra:

Cuối cùng, thêm Fu, viễn thám thời gian thực sẽ phục vụ như một bổ sung có giá trị, nhưng không thay thế hoàn toàn việc kiểm tra của con người. Anh nói bạn có thể đặt cảm biến ở khắp mọi nơi

Kết quả cuối cùng

Ngay cả khi tất cả các cảm biến này được đặt trên cầu I-35 và được theo dõi trong thời gian thực, thực tế sụp đổ xảy ra quá nhanh rằng giao thông sẽ không thể dừng lại kịp thời. Sự khác biệt duy nhất là sẽ có nhiều thông tin hơn cho các nhà điều tra đi qua.

Hãy nghĩ về một chiếc máy bay Hộp đen , nhưng cho một cây cầu.


4

Giám sát thời gian thực có thể được thực hiện và đã được thực hiện. Công nghệ là có và như được chỉ ra bởi hazzey, là một vấn đề chi phí so với rủi ro liên quan.

Là một kỹ sư thực hành, tôi / đã tham gia vào hai dự án khai quật sâu ở hai quốc gia khác nhau, nơi một đường hầm cắt và được xây dựng ngay dưới một cây cầu đường cao tốc chính. Trong cả hai trường hợp, đóng cửa giao thông hoặc chuyển hướng không phải là một lựa chọn. Chính quyền Tòa nhà trong cả hai dự án được yêu cầu theo dõi sức khỏe cấu trúc theo thời gian thực vì hậu quả của một rủi ro có thể là thảm họa.

Trong cả hai dự án, một loạt các lăng kính quang học cùng với các trạm tổng robot được triển khai để giám sát các chuyển động của cầu. Tổng số trạm được nối mạng đến một máy chủ nơi dữ liệu được tải lên liên tục. Bản thân máy chủ được kết nối với internet, nơi các bên liên quan có thể tải xuống dữ liệu và xử lý thông tin. Ngoài ra, một số hệ thống có thể tạo cảnh báo SMS trong trường hợp mức độ được xác định trước bị vi phạm.

Trước khi thực hiện bất kỳ giám sát nào, phải tiến hành đánh giá tác động / thiệt hại để xác định:

  • chuyển động đất dự đoán (ngang và dọc) ở nền móng của cầu dựa trên phương pháp xây dựng
  • loại lực sẽ được tạo ra trên cọc
  • khả năng kết cấu của các cọc hiện có như được xác định từ các bản vẽ được xây dựng
  • tải trọng hiện có trên các cọc trong quá trình phục vụ
  • khả năng dự trữ của cọc
  • chuyển động bên cho phép và giải quyết nền móng cầu

Tiếp theo là một cuộc khảo sát tình trạng để đánh giá tình trạng sức khỏe hiện tại của cây cầu. Nó thường bao gồm kiểm tra trực quan cho các vết nứt và đo trên các chuyển động của cầu.

Cầu bê tông cốt thép và thép, trong các trường hợp thông thường, không yêu cầu giám sát theo thời gian thực vì chúng không bị hỏng đột ngột. Những cây cầu đã được thiết kế phù hợp có xu hướng thất bại trong khả năng phục vụ trước khi chúng thất bại về mặt cấu trúc, đưa ra cảnh báo đầy đủ trước khi chúng sụp đổ. Ngoài ra, kiểm tra thường xuyên và bảo trì các cây cầu giúp đảm bảo rằng các cây cầu vẫn có thể bảo trì.

Với đủ dữ liệu, giám sát thời gian thực có thể nắm bắt xu hướng di chuyển dài hạn và làm dịu các lỗi đọc. Trong các trường hợp thiết kế gây tử vong, lỗi của con người trong việc giải thích các hồ sơ khảo sát hoặc lỗi của con người trong việc đánh giá năng lực kết cấu cầu, việc theo dõi thời gian thực sẽ không giúp ích nhiều trong việc ngăn chặn thảm họa.


3

Giám sát cấu trúc với các cảm biến là thực sự có thể. Các vấn đề là chi phí giám sát, và những phần thực sự có thể được theo dõi.

Cây cầu càng quan trọng thì càng đáng để trả chi phí giám sát (mức độ nghiêm trọng chủ yếu là do số lượng phương tiện giao thông mỗi ngày, nhưng cũng có sẵn các tuyến đường thay thế và chiều dài của nó (tức là số lượng phương tiện mà có thể là trên nó trong khi sụp đổ) đóng một phần). Một cây cầu chính được xây dựng ngày nay có khả năng sẽ có một số loại giám sát được tích hợp trong nó, như đã lưu ý trong bài viết mà bạn liên kết, và một ví dụ về nó là Giao lộ thay thế (bây giờ được gọi là Giao lộ Nữ hoàng). Một số cây cầu đã được trang bị thêm hệ thống, chẳng hạn như Cầu đường Forth hiện tại , trong đó có giám sát âm thanh để nghe cáp chụp.

Các cây cầu hiện tại rất có thể được trang bị giám sát nếu đánh giá cho thấy có lý do cần quan tâm. Nếu đánh giá cây cầu thấy rằng một phần của cây cầu đang xuống cấp, nó có thể đề nghị kiểm tra thường xuyên hơn hoặc cài đặt giám sát. Do chi phí giám sát, điều này có khả năng chỉ xảy ra trên các cây cầu lớn.

Vì vậy, theo dõi có thể ngăn chặn sự sụp đổ I35-W?

Thứ nhất: I35-W, mặc dù không phải là một cây cầu nhỏ, nhưng không cùng quy mô với Cầu Cổng Vàng hoặc cầu Forth. Giám sát do đó chỉ có khả năng được cài đặt nếu cây cầu được xác định là thiếu. Và điều đó đã không xảy ra bởi vì các cuộc kiểm tra và đánh giá cầu thông thường đã không nhận thấy rằng một tấm kết nối nhỏ không được đánh dấu. Liên kết của bạn đến các cảm biến dường như gợi ý rằng các cảm biến mới rẻ hơn có thể có sẵn. Tôi vẫn không thể thấy chi phí phải chăng với số lượng cầu cắt mà mỗi cơ quan có quyền kiểm soát, nhưng có thể trong một thời gian dài (giả sử 50 năm vì ngân sách có thể kéo dài tới 2% số cầu của chính quyền mỗi năm nhổ hoàn toàn ra khỏi không khí bởi tôi) nó có thể xảy ra.

Thứ hai: Tôi không tin rằng hầu hết giám sát là thời gian thực. Mặc dù tôi chắc chắn rằng các hệ thống giám sát có báo động tự động tắt nếu chuyển động đáng kể xảy ra, tôi đấu tranh để tin rằng ai đó sẽ có phản ứng đặc biệt nhanh với nó. Nhiều khả năng, một báo động hệ thống sẽ dẫn đến việc ai đó sẽ có một cái nhìn, có thể cùng ngày có thể không. Chủ yếu là các hệ thống có để xem xét các vấn đề dài hạn. Lấy cầu Forth Road làm ví dụ - giám sát âm thanh ở đó để ghi lại "ping" từ một sợi cáp bị đứt. Có một vài ngàn sợi riêng lẻ tạo thành cáp treo. Giám sát âm thanh ở đó để ai đó có thể nhìn vào kết quả và nói rằng "có vẻ như 63 đã bị gãy trong sáu tháng qua, có lẽ chúng ta nên nghĩ về việc làm gì đó để giảm tải". Tôi không nghĩ rằng nó thực sự ở đó với mong muốn rằng nó sẽ ghi lại 100 lần chụp trong một ngày, dẫn đến cây cầu bị đóng cửa ngay lập tức. (Cầu Forth Road đóng cửa do gió lớn một vài lần trong năm - họ có một hệ thống thích hợp để đóng nó).

Thứ ba: báo cáo chính thức về sự sụp đổ cho thấy sự thất bại là rất đột ngột: có thể có 10 giây cảnh báo. Ngay cả với giám sát thời gian thực, bạn cần phải a) nhận kết quả, b) xác định rằng chúng rất tệ (dễ dàng nếu bạn có 100 ping trong ví dụ Forth của tôi, rất khó nếu bạn có gia tốc kế theo liên kết của mình, điều này có thể cho bạn biết cây cầu di chuyển 0,05 độ) và c) đưa cảnh sát ra khỏi đó để đóng cây cầu. Tổng thời gian ước tính: 10 phút nếu bạn rất may mắn. Không phải 10 giây. (Và có lẽ giống như 3 tháng nữa nếu bạn thiết lập giám sát cho các hiệu ứng dài hạn và không chắc chắn liệu 0,05 độ có đáng kể hay không, bởi vì hệ thống không được thiết lập cho điều đó.)

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm - Tôi đã cố gắng đưa vào các sự kiện và tài liệu tham khảo ở nơi tôi có thể, nhưng kết luận thực tế mà tôi đã đưa ra chủ yếu dựa trên ý kiến ​​của tôi và không phải là sự thật thẳng.


2
Nhìn nhanh vào Danh sách các sự cố cầu của Wikipedia cho thấy hầu hết thời gian, cây cầu rõ ràng vẫn còn nguyên vẹn cho đến một lúc trước khi thất bại. Một cảm biến giám sát sẽ chỉ cho bạn biết một cách hiệu quả rằng "cây cầu của bạn vừa bị sập". Hữu ích cho một cái gì đó như một tuyến đường sắt nơi giao thông là hiếm và có thể có phản ứng tự động, nhưng không nhiều cho một cây cầu đường bộ.
Mark
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.