Na svetu postoji desetine miliona mostova, dok ta cifra u Sjedinjenim Američkim Državama prelazi 600.000, i skoro 13 odsto njih imaju neku vrstu konstruktivnih oštećenja. Većina mostova još uvek zahteva klasične metode ispitivanja i nadozora konstrukcije radi procene štete, uključujući vizuelnu inspekciju, testiranje penetracijom, testiranje magnetnim česticama i ultrazvučnim tehnikama.
Ove terenske metode ispitivanja mogu propustiti nenamerno probleme vezane za konstrukciju ili ih ne primetiti na vreme radi sprečavanja katastrofe. U slučaju rušenja čeličnog rešetkastog mosta u Mineapolisu, SAD, 2007. godine, što je dovelo do 13 izgubljenih života, američki Nacionalni odbor za bezbednost u saobraćaju (NTSB) je ispitivanjem zaključio da je uzrok nesreće bilo propadanje 16 čeličnih čvornih veza koje spajaju rešetke. Pametne tehnologije se polako počinju primenjivati u monitoringu mostovskih konstrukcija, pružajući više efikasni nadzor i inspekciju u realnom vremenu.
Pametni mostovi u akciji
Ova tragedija je mogla biti izbegnuta da je most bio opremljen sa mrežom pametnih senzora koji pružaju kontinuirano praćenje raznih kritičnih elemenata konstrukcije. Na primer, Rio-Antirio most u Grčkoj sa 6 traka i dužine od 2,9 kilometara ima 100 senzora (sa 300 kanala) koji prate njegovo stanje. Ubrzo nakon otvaranja mosta 2004. godine, senzori su otkrili nenormalne vibracije u kablovima koji nose most, što je dovelo do toga da inženjeri odmah postave dodatne težine koji su ublažili vibracije kablova.
Da kojim slučajem most nije imao senzore koji su primetili ovaj problem, predviđanja su da bi se nakon nekog vremana stvorili nepopravljivi konstruktivni defekti, koji bi na kraju doveli do urušavanja jednog dela ili cele mostovske konstrukcije. Ovo je jasan primer gde senzori i tehnologija spašavaju ljudske živote i novac.
Samo šačica drugih pametnih mostova širom sveta poseduje senozore različitih tipova, uključujući akcelerometare, merače deformacija, anemometare, uređaje za merenje težine u pokretu i temperaturne senzore.
Most Cing Ma u Hong Kongu, sedmi najduži viseći most na svetu, je opremljen sa više od 350 senzorskih kanala. Most, koji može da se odupre brzinama vetra i do 341 kilometara na čas, koristi GPS senzore postavljene na pilonima i kablovima za merenje brzine vetra. Oko 100 fotonskih senzora se koriste za praćenje deformacija u kablovima mosta.
Pored ovih mostova, navešćemo još nekoliko reprezentativnih pametnih mostova na svetu:
- Geumdang most u Južnoj Koreji: jeftini bežični sentori prate reakciju mosta na prekoračenje brzina i preoterećenja izazvana prolaskom teških kamiona.
- Gi-Lu most na Tajvanu: bežični senzori i akcelerometari prate zdravlje njegove konstrukcije.
- Bruklinski most u Njujorku, SAD: Optički sentori mere deformacije i temperature.
- Memorijalni most Bil Emerson, Mizuri, SAD: visoko tehnološki senzori, po ceni od 15.000 dolara po senzoru, prikupljaju i prenose podatke o mostu preko eterneta.
Studija slučaja projekta mosta Sv. Entoni u SAD-u
Most Sv. Entoni, na deonici autoputa I-35 koji je zamenio most u Mineapolisu koji se srušio, je izgrađen u zajedničkom poduhvatu između kompanija Flatiron-Manson i Figg Bridge Engineers. Most je završen u septembru 2008. godine i izgrađen je sa dve paralelne strukture, jedna za svaki smer saobraćaja, korišćenjem prednapregnutih betonskih kutijastih nosača.
Konstrukcija raspona preko reke je sastavljena od prefabrikovanih segmentnih elemenata, a preostala tri raspona su napravljena od livenog betona na licu mesta. Ukupni troškovi za senzorske sisteme na mostu su bili oko milion američkih dolara, što je mali deo cene u odnosu na ukupne troškove gradnje mosta od 234 miliona dolara.
Primena pametnih mostovskih senzora
Preko 500 jedinstvenih snezora skuplja podatke u vezi sa ponašanjem konstrukcije i korozijom na mostu Sv. Entoni. Konstruktivne deformacije se mere sa 195 vibro žičanih merila, 24 otpornih merača deformacija i 12 optičkih senzora. Ovi optički senzori, koji kontrolišu deformacije zakrivljenog dela raspona preko reke, su montirani u šest parova na vrhu i dnu kutijastih betonskih nosača.
Temperature u mostu i termalni gradijenti širom konstrukcije se mere sa 243 termistora, uključujući i one integrisane u merače deformiteta. Ovi termistori i vibro žičana merila su raspoređeni na raznim delovima duž obe strukture na ključnim lokacijama.
Postoji ukupno 25 akcelerometara koji mere modalne frekvencije strukture za izračunavanje izvijanja i strukturalnih vibracija. Polovina od njih su instalirani na sredini raspona svakog kutijastog nosača u svakom rasponu, a druga polovina se nalazi duž spoljašnjih kutijastih nosača.
Ovih 13 senzora, koji su postavljeni da prikupe dodatne informacije za buduće instrumente, mogu biti orijentisani u drugim pravcima i ravnomerno su raspoređeni na uglu gornjeg ruba. Postoji i 12 linearnih potenciometara koji su posavljeni na dilatacijama kako bi merili ukupno širenje i skupljanje mosta.
U mostu su ugrađeni i četiri senzora za koroziju koja su postavljeni u putnoj površini kako bi se odredila osetljivost armature na koroziju. Ovi senzori, koji se nalazi u kablovima za prednaprezanje (kablovi umotani u više slojeva čelične žice), mere struju korozije, električnu otpornost betona, kao i temperature betona kako bi odredili početak korozije, stepen korozije, sadržaj vode u beton i transportne procese vode i hlorida. Abnormalni nivoi fluorida mogu ukazivati na koroziju, tako da kada se oni primete, mogu se preduzeti korektivne akcije.
Monitoring pametnih mostova
Univerzitet u Minesoti sakuplja i analizira podatke koji su prikupljeni radi boljeg razumevanja ponašanja nosećih struktura, što će na kraju dovesti do razvitka sistema za dugoročno posmatranje stanja mostovskih konstrukcija. Neke od informacija su suvišne, tako da više različitih tipova senzora mogu biti analizirani. Osnovno ponašanje je uspostavljeno tokom prve godine rada mosta Sv. Entoni.
Modeli koji primenjuju metode konačnih elemenata (FEM - finite element method) su razvijeni za poređenje izmerenih podataka sa predviđenim podacima i da obezbede alat koji može napraviti predviđanja u vezi sa dugoročnim praćenjem. Modalne frekvencije izračunate sa FEM modelom su u dobroj korelaciji sa izmerenim frekvencijama.
Pronađeno je da termalni efekti izazivaju mnogo veća naprezanja od onih koji su uzrokovani sa dinamičkim opterećenjem (učestali prolaz kamiona). Testovi smicanja i skupljanja će biti uključeni u buduće modele.
Senzori za koroziju su jedina vrsta senzora u ovom slučaju koji mogu ukazati na probleme na određenim lokacijama. Globalne mere dobijene od drugih senzora se ne mogu koristiti za otkrivanje lokalnih defekata konstrukcije. Podaci sa drugih senzora time moraju biti kombinovani i vrednovani korišćenjem modela za određivanje stanja mostovske konstrukcije.
Dugoročni sistem za monitoring će biti zasnovan na očekivanim odgovorima koji se mogu pratiti od strane odeljenja za održavanje. Svaka promena u odgovoru, kao što je krivljenje mosta koje je izvedeno iz kombinovanih merenja, biće pokazatelj da nešto nije u redu. Predviđeni odgovori termalnih podataka će takođe biti upoređivani sa izmerenim podacima: ukoliko se primeti stanje van granica očekivanih, odeljenje za održavanje će biti obavešteno. Ručna inspekcija će i dalje biti potrebna kako bi izbliza videla stanje potencijalnog problema koji je sistem identifikovao.
Buduće inovacije pametnih mostova
Pošto većina tekuće tehnologije senzora ne može tačno odrediti šta se dešava na određenim lokacijama, druge kompanije i organizacije razvijaju vrhunske tehnološke senzore koji će ovaj problem prevazići. Naučnici sa Univerziteta u Mičigenu, SAD, su razvili senzorski „omotač“ (farbu ili premaz koji poseduju senzore) koji je na bazi ugljeničnih nanocevi.
Kada se stimulišu sa električnom strujom, ovi senzori su u stanju da identifikuju gde se nalazi pukotina ili druga vrsta oštećenja ispod površine strukture. Međutim, ova tehnologija još uvek nije komercijaliziovana i trenutno je preskupa.
Bežična tehnologija se takođe razvija u nekoliko organizacija i kompanija. Teksaški univerzitet u Ostinu istražuje kako da koristi vibracije mosta za proizvodnju električne energije za uređaje koji će osećati pojavu pukotina u materijalima.
Solarna energija se koristi za napajanje senzora na Univerzitetu u Merilendu. Na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu istraživači koriste piezoelektrične senzore, koji mogu da šalju i primaju visoko frekventne tonove kroz most, kako bi pronašli deformitete u konstrukciji.
Nekoliko sistema zasnovanih na optičkim vlaknima se razvijaju na Mizuri univerzitetu. Jedan sistem nadgleda opšte performanse i zdravlje konstrukcije, dok drugi sistem ispituje ponašanje velikog saniranog dela konstrukcije.
Senzorske strukture u temeljima se takođe razvijaju radi procenjivanja rečnih ili morskih struja i njihovog uticaja na konstrukciju mosta. Njihova primena će takođe imati velike koristi za mostovske strukture koje se nalaze u područjima koja su podložna čestim poplavama.
Još jedan važan program u Sjedinjenim Američkim Državama koji će uvesti pametnu tehnologiju mostova u praktičnu realnost je Dugoročni program performansi mostova (LTBP) Savezne agencije za autoputeve. Ovaj dvadesetogodišnji program uključuje instrumentalizaciju jednog broja mostova na autoputevima širom SAD-a. Program ima za cilj da pruži detaljniju i blagovremenu sliku zdravlja mostova i unapredi znanje o njihovim performansama.
Performanse mosta se definišu načinom na koji most funkcioniše i kako se ponaša pod različitim složenim međusobno povezanim faktorima, kao što je obim saobraćaja, opterećenja i vremenski uslovi (ciklusi zamrzavanja i odmrzavanja, kiše, jaki vetrovi i sl.).
