Most powie, że pęka. Zanim zauważy to człowiek
Most może z zewnątrz wyglądać wręcz idealnie, ale w środku może zaczynać się problem. Nowe czujniki usłyszą pęknięcia i uszkodzenia, zanim zauważy je człowiek. To może być prawdziwa rewolucja.
Uszkodzenia konstrukcji mostowych bardzo często poprzedzają subtelne zjawiska akustyczne. Pęknięcia betonu, rozwój korozji czy uszkodzenia elementów sprężających generują fale, które mogą zostać zarejestrowane przez odpowiednie czujniki. Właśnie na tym zjawisku opiera się system COMOBASE opracowywany przez Fraunhofer IKTS. Jego zadaniem jest ciągłe monitorowanie stanu konstrukcji i wykrywanie oznak degradacji na możliwie wczesnym etapie.
Most też potrafi dać sygnał alarmowy
Klasycznie kontrola mostu zwykle odbywa się okresowo. Eksperci przyjeżdżają, oglądają konstrukcję, wykonują pomiary, analizują dokumentację i oceniają, czy obiekt nadaje się do dalszego użytkowania, wymaga naprawy albo ograniczeń. Taki model jest potrzebny, ale między kolejnymi przeglądami może wydarzyć się bardzo dużo.
Nowy system opiera się na zupełnie odmiennej koncepcji. Zamiast sprawdzać most tylko od czasu do czasu, ma go stale monitorować poprzez nasłuch sygnałów akustycznych. Technologia wykorzystuje analizę emisji akustycznej. To zjawisko polega na tym, że uszkodzenia powstające w materiale wytwarzają fale, które można zarejestrować czujnikami. Pęknięcie, tarcie, korozja, zerwanie stalowego cięgna albo gwałtowna zmiana naprężeń nie są więc tylko problemem konstrukcyjnym. Są także zdarzeniem, które pozostawia po sobie charakterystyczny ślad akustyczny.
Oczywiście nie chodzi o trzask słyszalny dla zwykłego przechodnia, lecz o sygnały rejestrowane przez specjalne czujniki zamontowane w strategicznych punktach konstrukcji. System ma je wykryć, odfiltrować zakłócenia, określić miejsce zdarzenia i pomóc ocenić, czy most wymaga interwencji.
COMOBASE działa jak stetoskop dla betonu i stali
Rozwiązanie zaproponowane przez Fraunhofer IKTS nazywa się COMOBASE i jest modułowym systemem monitoringu akustycznego. Jego najważniejsza przewaga polega na tym, że nie ma być uniwersalnym, drogim kombajnem pomiarowym do wszystkiego. Niemieccy badacze chcą projektować konfigurację pod konkretne zastosowanie: most, zbiornik ciśnieniowy, instalację chemiczną, turbinę wiatrową albo inny obiekt techniczny.
Ma to ogromne znaczenie, ponieważ wiele obiektów nie potrzebuje rozbudowanej aparatury pomiarowej z pełnym zestawem funkcji. Znacznie lepiej sprawdza się rozwiązanie dopasowane do konkretnego zastosowania, wyposażone tylko w te czujniki i narzędzia analityczne, które są rzeczywiście potrzebne. Takie podejście pozwala ograniczyć koszty, uprościć wdrożenie i ułatwić codzienną eksploatację systemu.
Podstawowy system COMOBASE przetwarza aż 32 kanały równolegle. W wersji CoMoBase3 platforma może pracować z 32 synchronicznymi kanałami, próbkowaniem do 20 mln próbek na sekundę i 16-bitową rozdzielczością. To pozwala zbierać sygnały z sieci czujników rozmieszczonych na konstrukcji i analizować je jako całość.
Jeden czujnik po prostu nie wystarczy
Most jest niezwykle trudnym obiektem do badania. Beton tłumi sygnały, stal przenosi drgania inaczej, a normalny ruch drogowy wprowadza tło akustyczne. Przejeżdżający samochód, zmiana temperatury, wiatr i drgania eksploatacyjne mogą mieszać się z sygnałami uszkodzeń.
System musi więc działać jak spójna sieć. Jeden czujnik może coś usłyszeć, ale dopiero porównanie wielu kanałów pozwala lepiej określić, skąd przyszedł sygnał i co mógł oznaczać. To trochę jak lokalizowanie burzy po czasie dotarcia grzmotu do różnych punktów pomiarowych. Różnice w czasie, amplitudzie i charakterze fali pomagają ustalić źródło zdarzenia.
Fraunhofer skupia się szczególnie na niższych zakresach częstotliwości, bo takie sygnały lepiej przechodzą przez masywne konstrukcje. W monitoringu mostów nie chodzi o najładniejsze dane w laboratorium, ale o sygnały, które da się zarejestrować w betonie, stali, wilgoci, hałasie i zmiennych warunkach pogodowych.
Nie tylko pęknięcia. System szuka wzorca uszkodzenia
Największą wartością takiej diagnostyki nie jest samo wykrycie pojedynczego sygnału. Najistotniejsze jest rozpoznanie, czy zarejestrowane zdarzenie mieści się w normalnym zachowaniu konstrukcji, czy może wskazywać na rozwijające się uszkodzenie. Most przez cały czas pracuje pod wpływem ruchu pojazdów, zmian temperatury i obciążeń eksploatacyjnych, dlatego wiele sygnałów ma całkowicie naturalne źródło.
Dane z czujników trzeba więc analizować w czasie. Liczy się powtarzalność sygnałów, ich energia, lokalizacja, zmiana w porównaniu z wcześniejszym stanem i korelacja z innymi danymi. Jeśli w jednym miejscu zaczyna pojawiać się więcej podejrzanych zdarzeń, może to wskazywać na rozwój pęknięcia albo osłabienie elementu.
Takie podejście do sprawy doskonale pasuje do idei przewidywania problemów, zanim te staną się naprawdę poważne. Zamiast dowiadywać się o uszkodzeniu dopiero wtedy, gdy pojawi się widoczna rysa albo konieczne będzie zamknięcie obiektu, zarządca może wcześniej zauważyć, że w konstrukcji dzieje się coś niepokojącego. Ostateczna ocena nadal należy do inżynierów, ale mają oni do dyspozycji więcej informacji i mogą szybciej podjąć właściwe decyzje.
Niemcy mają problem, który dotyczy całej Europy
Za całym pomysłem stoi fakt, że mosty po prostu się starzeją. Według danych niemieckiego ministerstwa transportu z 2022 r. około 8 tys. mostów autostradowych wymaga natychmiastowej modernizacji albo poważniejszych prac naprawczych. Gdy stawka jest wysoka, system pilnujący konstrukcji 24 godziny na dobę przestaje być inżynierską innowacją. Robi się z niego mocna polisa na wypadek kłopotów.
Upadek części mostu Karoli w Dreźnie w 2024 r. dobitnie pokazał, jak poważne mogą być skutki ukrytych uszkodzeń. W takich konstrukcjach szczególnie groźne są problemy z elementami sprężającymi i korozją, bo najważniejsze procesy potrafią rozwijać się wewnątrz betonu, poza bezpośrednim widokiem inspektora.
Przeczytaj także:
Europa ma wiele mostów zbudowanych dekady temu, w czasach innych obciążeń, innych norm i mniejszego ruchu ciężkiego. Dziś te obiekty pracują w warunkach znacznie trudniejszych niż zakładano. Samochodów jest więcej, pojazdy ciężkie są intensywnie eksploatowane, a zmiany temperatury i wilgotności dodatkowo przyspieszają degradację części konstrukcji.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Jelena Safronova, Getty Images Pro, Canva Pro
