Kann die strukturelle Integrität von Brücken aus Sicherheitsgründen in Echtzeit gemessen werden?

Im Anschluss an diese Frage frage ich mich, ob Informationen zur Überwachung der strukturellen Integrität in Echtzeit und in ausreichendem Maße bereitgestellt werden können, damit Sicherheitsentscheidungen realistisch aus den Informationen getroffen werden können.

In den USA und anderen Teilen der Welt erhalten Bundes-, Landes- und Kommunalverwaltungen regelmäßig Berichte über die strukturelle Integrität der Infrastruktur, einschließlich Brücken. Diese Berichte sind das Ergebnis von Bewertungen, die planmäßig durchgeführt werden. Zwischen den Bewertungen können viele Monate oder möglicherweise Jahre liegen.

Brücken sind ein wichtiger Bestandteil der Wirtschaft von Bund, Ländern und Kommunen, da sie eine kritische Infrastruktur bieten. Es ist auch wichtig, historische Wahrzeichen wie die Golden Gate Bridge zu schützen.

_{Golden Gate Bridge, eine ikonische Brücke in den Vereinigten Staaten}

Und die Folgen unzureichender Informationen können sehr schwerwiegend sein. Zum Beispiel stürzte im August 2007 die I-35W Mississippi River Bridge ein , bei der viele Menschen ums Leben kamen.

_{I-35W nach dem Zusammenbruch}

Frage:

• Gibt es Technologien, die einen Echtzeitstatus bieten könnten, um Bundes-, Landes- und Kommunalverwaltungen vor bevorstehenden Brückenausfällen zu warnen? Gibt es zum Beispiel etwas, das den Zusammenbruch der I-35 hätte vorhersagen und die Öffentlichkeit benachrichtigen können, um den Verlust von Menschenleben zu vermeiden? Es scheint, als würde dieser drahtlose Sensor zur Überwachung der strukturellen Integrität von Brücken funktionieren, aber ich bin mir nicht sicher, da die Domäne außerhalb meiner Erfahrung liegt.

Es gibt viele verschiedene Sensoren, die an einer Brücke angebracht werden können, um deren Zustand zu überwachen . Nach dem I-35 Brückeneinsturz, dieser Bereich hat gesehen Menge Publicity . Die meisten dieser Sensoren waren zuvor verfügbar, aber der Bedarf war für die Öffentlichkeit nicht so offensichtlich.

Sensoren

• Beschleunigungsmesser
• Dehnungsmessstreifen
• Wegaufnehmer
• Füllstandsmessstationen (Neigungsmonitore)
• Anemometer
• Temperatursensoren
• Dynamische Weight-in-Motion-Sensoren
• Korrosionsmonitore
• Akustische Rissmonitore
• Akustische Kabelmonitore

Diese Sensoren können verkabelt oder drahtlos sein. Einige werden sogar von den Vibrationen der vorbeifahrenden Fahrzeuge angetrieben .

Kosten

Die Kosten sind ein wichtiger Faktor bei der Prüfung eines Brückenüberwachungssystems. Auch wenn die anfänglichen Kosten angemessen erscheinen :

Die Sensoren sind klein, kabellos, robust und erfordern praktisch keine Wartung, sagt er. Sie werden erwartet , mehr als ein Jahrzehnt, mit jedem kostet etwa dauern $ 20. Eine durchschnittlich große Autobahnbrücke müßte etwa 500 Sensoren für Gesamtkosten von etwa $ 10.000.

Dies berücksichtigt nicht die Kosten für die fortgesetzte Überwachung der Sensoren. Echtzeitüberwachung ist teuer und noch weniger als Echtzeitüberwachung belastet die Budgets des Verkehrsministeriums, die bereits zu dünn sind, ständig. Wenn mehr Geld im Budget wäre, wären die Brücken in einem besseren Zustand.

Diese Brücken werden bereits regelmäßig von geschulten Inspektoren inspiziert, die über die gesamte Struktur klettern. Dies geschah auf der I-35-Brücke und sie brach immer noch zusammen.

Aufgrund der Kosten und der Komplexität der Systeme würden nur wenige sehr große Strukturen vollständig überwacht. Die Kosten dieser Systeme sind wahrscheinlich höher als der oben angegebene Betrag. Der obige Wert ist auch nur die Kosten der einzelnen Sensoren. Eine vollständige Untersuchung der Brücke müsste durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Sensoren an den Stellen platziert werden, an denen sie am nützlichsten wären.

Standort

Jeder Sensor misst nur einen einzigen Datenpunkt. Es müsste viel nachgedacht und recherchiert werden, um festzustellen, welche Sensoren am vorteilhaftesten sind.

Selbst nachdem die Sensoren platziert wurden, müssten umfassende Kriterien vorhanden sein, damit die Personen, die die Sensorergebnisse überwachen, wissen, was eine Warnung darstellt . Es kann viele falsch positive und vielleicht sogar falsch negative geben.

In einem Artikel heißt es:

Letztendlich, fügt Fu hinzu, wird die Echtzeit-Fernerkundung als wertvolle Ergänzung dienen, aber menschliche Inspektionen nicht vollständig ersetzen. "Man kann nicht überall Sensoren anbringen", sagt er.

Endresultat

Selbst wenn alle diese Sensoren auf der I-35-Brücke installiert und in Echtzeit überwacht würden, geschah der tatsächliche Zusammenbruch so schnell, dass der Verkehr nicht rechtzeitig hätte gestoppt werden können. Der einzige Unterschied wäre, dass die Ermittler viel mehr Informationen hätten durchgehen können.

Denken Sie an die Black Box eines Flugzeugs , aber an eine Brücke.

Echtzeitüberwachung kann durchgeführt werden und wurde bereits durchgeführt. Die Technologie ist vorhanden und, wie von Hazzey hervorgehoben, eine Frage der Kosten im Vergleich zum damit verbundenen Risiko.

Als praktizierender Ingenieur war / war ich an zwei Tiefgrabungsprojekten in zwei verschiedenen Ländern beteiligt, in denen ein Tunnel direkt unter einer großen Autobahnbrücke gebaut wurde / wurde. In beiden Fällen ist eine Sperrung oder Umleitung des Verkehrs keine Option. Die Baubehörden in beiden Projekten forderten eine Überwachung des strukturellen Gesundheitszustands in Echtzeit, da die Folgen eines Unglücks katastrophal sein können.

In beiden Projekten wird eine Reihe von optischen Prismen zusammen mit Roboter-Totalstationen eingesetzt, um die Bewegungen der Brückenpfeiler zu überwachen. Die Totalstationen sind mit einem Server vernetzt, auf dem kontinuierlich Daten hochgeladen werden. Der Server selbst ist mit dem Internet verbunden, wo die beteiligten Parteien die Daten herunterladen und die Informationen verarbeiten können. Darüber hinaus können einige Systeme SMS-Warnungen generieren, wenn eine vorgegebene Ebene verletzt wird.

Bevor eine Überwachung durchgeführt wird, muss eine Folgenabschätzung durchgeführt werden, um Folgendes festzustellen:

• die vorhergesagte Bodenbewegung (horizontal und vertikal) am Fundament der Brücke basierend auf der Bauweise
• die Art der Kräfte, die auf die Pfähle induziert werden
• die strukturelle Kapazität der vorhandenen Pfähle, wie aus den Bestandszeichnungen bestimmt
• die vorhandene Belastung der Pfähle während des Betriebs
• die Reservekapazität der Pfähle
• die zulässige seitliche Bewegung und Ablagerung des Brückenfundaments

Daran schließt sich eine Zustandserhebung an, um den aktuellen Gesundheitszustand der Brücke zu beurteilen. Es umfasst normalerweise eine Sichtprüfung auf Risse und Messungen der Bewegungen der Brückenlager.

Stahlbeton- und Stahlbrücken erfordern unter normalen Umständen keine Echtzeitüberwachung, da sie nicht plötzlich ausfallen. Richtig konstruierte Brücken neigen dazu, ihre Wartungsfreundlichkeit zu beeinträchtigen, bevor sie strukturell versagen, und geben ausreichend Warnung, bevor sie einstürzen. Regelmäßige Inspektion und Wartung der Brücken tragen außerdem dazu bei, dass die Brücken weiterhin gewartet werden können.

Mit genügend Daten kann die Echtzeitüberwachung den langfristigen Bewegungstrend erfassen und Lesefehler ausgleichen. In Fällen eines schwerwiegenden Entwurfs, menschlicher Fehler bei der Interpretation von Vermessungsaufzeichnungen oder menschlicher Fehler bei der Bewertung der strukturellen Kapazität der Brücke wäre eine Echtzeitüberwachung nicht sehr hilfreich, um eine Katastrophe abzuwenden.

Eine strukturelle Überwachung mit Sensoren ist tatsächlich möglich. Die Probleme sind die Kosten für die Überwachung und welche Teile tatsächlich überwacht werden können.

Je kritischer eine Brücke ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich die Kosten für die Überwachung lohnen (die Kritikalität hängt hauptsächlich von der Anzahl der pro Tag überquerten Fahrzeuge ab, aber auch von der Verfügbarkeit alternativer Routen und deren Länge (dh der Anzahl der Fahrzeuge) die während des Zusammenbruchs darauf sein können) spielen eine Rolle). In einer großen Brücke, die heutzutage gebaut wird, ist wahrscheinlich eine Art Überwachung eingebaut, wie in dem von Ihnen verlinkten Artikel erwähnt. Ein Beispiel hierfür ist das Forth Replacement Crossing (jetzt Queensferry Crossing genannt). Bei einigen Brücken wurden Systeme nachgerüstet, z. B. bei der vorhandenen Forth Road Bridge , die über eine akustische Überwachung verfügt, um auf Kabelrisse zu achten.

Bestehende Brücken werden höchstwahrscheinlich überwacht, wenn eine Bewertung ergibt, dass Anlass zur Sorge besteht. Wenn eine Brückenbewertung feststellt, dass sich ein Teil der Brücke verschlechtert, empfiehlt sie möglicherweise häufigere Inspektionen oder die Installation einer Überwachung. Aufgrund der Überwachungskosten ist dies wahrscheinlich nur bei größeren Brücken der Fall.

Könnte die Überwachung den Zusammenbruch des I35-W verhindern?

Erstens: Die I35-W war zwar keine kleine Brücke, aber nicht im gleichen Maßstab wie die Golden Gate Bridge oder die Forth Bridge. Die Überwachung wurde daher wahrscheinlich nur installiert, wenn die Brücke als mangelhaft identifiziert worden war. Und das war nicht geschehen, weil die routinemäßigen Inspektionen und Bewertungen der Brücke nicht bemerkt hatten, dass eine kleine Verbindungsplatte zu klein war. Ihr Link zu Sensoren scheint darauf hinzudeuten, dass jetzt möglicherweise neue billigere Sensoren verfügbar sind. Ich kann die Kosten angesichts der Anzahl der Brücken, über die jede Behörde die Kontrolle hat, immer noch nicht als erschwinglich ansehen, aber möglicherweise über einen langen Zeitraum (sagen wir 50 Jahre, da das Budget bis zu 2% der Brücken einer Behörde pro Jahr betragen könnte - Anzahl von mir komplett aus der Luft gerissen) es könnte passieren.

Zweitens: Ich glaube nicht, dass die meiste Überwachung in Echtzeit erfolgt. Obwohl ich sicher bin, dass Überwachungssysteme automatische Alarme haben, die ausgelöst werden, wenn signifikante Bewegungen auftreten, kann ich kaum glauben, dass jemand besonders schnell darauf reagieren würde. Höchstwahrscheinlich würde ein Systemalarm dazu führen, dass jemand nachschaut, vielleicht am selben Tag, vielleicht auch nicht. Hauptsächlich sind die Systeme dazu da, langfristige Probleme zu untersuchen. Am Beispiel der Forth Road Bridge - die akustische Überwachung dient dazu, den "Ping" eines Kabelstrang-Schnappens aufzuzeichnen. Die Aufhängungskabel bestehen aus einigen tausend einzelnen Litzen. Die akustische Überwachung ist da, damit jemand die Ergebnisse einsehen und sagen kann: "Es sieht so aus, als wären 63 in den letzten sechs Monaten geschnappt. Vielleicht sollten wir darüber nachdenken, etwas zu tun, um die Last zu reduzieren." Ich nicht Ich glaube nicht, dass es wirklich da ist, mit der Erwartung, dass es 100 Schnappschüsse pro Tag aufzeichnet, was dazu führt, dass die Brücke sofort geschlossen wird. (Die Forth Road Bridge wird einige Male im Jahr wegen starken Windes geschlossen - sie verfügt über ein geeignetes System, um sie zu schließen.)

Drittens: Der offizielle Bericht über den Zusammenbruch deutet darauf hin, dass der Fehler sehr plötzlich aufgetreten ist: Es gab möglicherweise eine Warnung von 10 Sekunden. Selbst bei der Echtzeitüberwachung müssen Sie a) Ergebnisse erhalten, b) feststellen, dass sie katastrophal schlecht sind (einfach, wenn Sie die 100 Pings in meinem Forth-Beispiel haben, schwierig, wenn Sie Beschleunigungsmesser gemäß Ihrem Link haben, was Ihnen möglicherweise sagt dass sich die Brücke um 0,05 Grad bewegte) und c) die Polizei dazu bringen, die Brücke zu schließen. Gesamtzeitschätzung: 10 Minuten, wenn Sie sehr viel Glück haben. Keine 10 Sekunden. (Und wahrscheinlich eher 3 Monate, wenn Sie die Überwachung auf Langzeiteffekte eingerichtet haben und nicht sicher waren, ob die 0,05 Grad signifikant waren oder nicht, weil das System nicht dafür eingerichtet war.)

Haftungsausschluss - Ich habe versucht, Fakten und Referenzen einzutragen, wo ich kann, aber die tatsächlichen Schlussfolgerungen, zu denen ich gekommen bin, basieren stark auf meinen Meinungen und sind keine reinen Fakten.