Xem xét thận trọng trên các cây cầu
Xem xét thận trọng trên các cây cầu
xem xét thận trọng ở các cây cầu
Hầu hết các cây cầu đường bộ và đường sắt chỉ được kiểm tra bằng bằng mắt, nếu có bất kỳ kiểm tra nào.
Cứ vài tháng, các kỹ sư phải leo qua công trình để lỗ nực tìm ra các vấn đề trước khi cây cầu có những dấu hiệu rõ ràng về thiệt hại.
Những công nghệ phát triển tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, New Mexico và Đại học Texas A & M có thể thay cho các cuộc khảo sát này bằng các cảm biến vi sóng, nó được dùng để giám sát liên tục tình trạng của các cây cầu.
Thiết bị sử dụng sóng cực ngắn để đo khoảng cách giữa cảm biến và cây cầu, nó hoạt động giống như radar, Albert Migliori, một nhà vật lý học của Los Alamos cho biết: “Bất cứ một tải nào trên cây cầu – chẳng hạn như giao thông gây ra sự dịch chuyển, đều làm thay đổi khoảng cách đó cũng giống như việc cầu di chuyển lên xuống.
“Bằng cách theo dõi các chuyển động này trong vài phút, các nhà nghiên cứu có thể tìm ra cách cây cầu này cộng hưởng.
Sự thay đổi trạng thái hoạt động của nó có thể đưa ra cảnh báo sớm về thiệt hại.
Cây cầu nối liên tiểu bang 40 trên sông Rio Grande ở Albuquerque giúp các nhà nghiên cứu có cơ hội hiếm hoi để viết lên ý tưởng của họ.
Chuck Farrar, một kỹ sư ở Los Alamos, giải thích: “Chính quyền New Mexico đã quyết định phá hủy hoàn toàn cây cầu này và thay thế nó.
Chúng tôi đã có thể gắn các thiết bị lên trên cầu, kiểm tra nó dưới các điều kiện tải khác nhau và thậm chí gây ra thiệt hại ngay trước khi nó bị phá hủy.
“Trong những năm 1960 và 1970, 2500 chiếc cầu tương tự đã được xây dựng ở Mỹ.
Chúng có hai dầm thép hỗ trợ tải trọng ở mỗi phần.
Các chuyên gia về đường cao tốc biết rằng thiết kế này tạo ra “đứt gãy không mong muốn” bởi vì một sự cố của một trong hai dầm sẽ là nguyên nhân dẫn đến cầu bị hỏng.
Sau khi lắp đặt đĩa vi sóng trên mặt đất dưới cầu, đội Los Alamos đã lắp đặt các gia tốc kế thông thường tại một vài điểm dọc theo nhịp cầu để đo chuyển động của nó.
Sau đó, họ kiểm tra chiếc cầu trong khi giao thông tạo ra âm thanh lên trên các cảm biến và cùng thời điểm đó cảm biến khi phơi nó từ “shaker”, phát ra cú đấm chính xác tới một điểm cụ thể trên đường.
“Sau đó, chúng tôi gây ra thiệt hại mà chúng tôi hy vọng sẽ mô phỏng các vết gãy kém sức chịu đựng mà có thể xảy ra trong dầm thép,” Farrar nói.
Lần đầu tiên họ cắt một khe dài khoảng 60 cm ở giữa một dầm.
They first cut a slot about 60 centimetres long in the middle of one girder.
Sau đó họ mở rộng vết cắt cho đến khi nó chạm đến đáy dầm và cuối cùng họ cắt ngang cạnh – phần dưới của dầm hình chữ “I”.
Việc phân tích sơ bộ trạng thái của cây cầu, dựa trên tần số mà cây cầu cộng hưởng, không cho thấy bất cứ lỗi nào cho đến khi mặt bích bị hư hỏng.
Nhưng sau đó, dữ liệu được phân tích lại bằng các thuật toán, cái mà tính đến các thay đổi trong các hình dạng của cấu trúc- các hình dạng mà cấu trúc đó thực hiện khi bị kích thích ở một tần số cụ thể.
Những thuật toán phức tạp hơn này được phát triển bởi Norris Stubbs tại Đại học Texas A & M, Ông đã xác định thành công và xác định được vị trí thiệt hại mà do vết cắt ban đầu.
“Khi bất kỳ cấu trúc dao động, năng lượng được phân tán qua một vài điểm không chuyển động, trong khi những điểm khác dao động mạnh ở các tần số khác nhau”, Stubbs nói.
Thuật toán của tôi sử dụng nhận dạng mẫu để phát hiện sự thay đổi trong sự phân bố năng lượng này.
NASA đã sử dụng phương pháp của Stubbs để kiểm tra trạng thái của phần vành khối, cái mà làm chậm lại tàu con thoi sau khi chúng được hạ cánh.
Một hệ thống thương mại dựa trên phần cứng của Los Alamos hiện đã có, hoàn chỉnh với các thuật toán Stubbs, từ Tổng công ty Quatro ở Albuquerque với giá khoảng 100,000 USD.
Tim Darling, một nhà vật lý khác của Los Alamos làm việc trên giao thoa kế vi sóng cùng với Migliori, nói rằng khi các thiết bị điện tử trở nên rẻ hơn, một hệ thống kiểm tra vi sóng cuối cùng sẽ được áp dụng cho hầu hết các cây cầu lớn ở Mỹ.
Ông nói: “Trong một thập kỷ, tôi muốn thấy pin hoặc bộ năng lượng mặt trời được gắn dưới mỗi cây cầu, quét nó mỗi ngày để phát hiện ra những thay đổi xảy ra.
Dịch bởi: Hau Pham
Keep a watchful eye on the bridges
Most road and rail bridges are only inspected visually , if at all.
Every few months, engineers have to clamber over the structure in an attempt to find problems before the bridge shows obvious signs of damage.
Technologies developed at Los Alamos National Laboratory, New Mexico, and Texas A&M; University may replace these surveys with microwave sensors that constantly monitor the condition of bridges.
“The device uses microwaves to measure the distance between the sensor and the bridge, much like radar does,” says Albert Migliori, a Los Alamos physicist “Any load on the bridge – such as traffic induces displacements, which change that distance as the bridge moves up and down.
” By monitoring these movements over several minutes, the researchers can find out how the bridge resonates.
Changes in its behaviour can give an early warning of damage.
The Interstate 40 bridge over the Rio Grande river in Albuquerque provided the researchers with a rare opportunity to text their ideas.
Chuck Farrar, an engineer at Los Alamos, explains: “The New Mexico authorities decided to raze this bridge and replace it.
We were able to mount instruments on it, test it under various load conditions andeven inflict damage just before it was demolished.
” In the 1960s and 1970s, 2500 similar bridges were built in the US.
They have two steel girders supporting the load in each section.
Highway experts know that this design is “fracture critical” because a failure in either girder would cause the bridge to fail.
After setting up the microwave dish on the ground below the bridge, the Los Alamos team installed conventional accelerometers at several points along the span to measure its motion.
They then tested the bridge while traffic roared across it and while subjecting it to pounding from a “shaker”, which delivered precise punches to a specific point on the road.
“We then created damage that we hoped would simulate fatigue cracks that can occur in steel girders,” says Farrar.
They first cut a slot about 60 centimetres long in the middle of one girder.
They then extended the cut until it reached the bottom of the girder and finally they cut across the flange – the bottom of the girder’s “I” shape.
The initial, crude analysis of the bridge’s behaviour, based on the frequency atwhich the bridge resonates, did not indicate that anything was wrong until the flange was damaged.
But later the data were reanalysed with algorithms that took into account changes in the mode shapes of the structure – shapes that the structure takes on when excited at a particular frequency.
These more sophisticated algorithms, which were developed by Norris Stubbs at Texas A&M; University, successfully identified and located the damage caused by the initial cut.
“When any structure vibrates, the energy is distributed throughout with some points not moving, while others vibrate strongly at various frequencies,” says Stubbs.
“My algorithms use pattern recognition to detect changes in the distribution of this energy.
” NASA already uses Stubbs’ method to check the behaviour of the body flap that slows space shuttles down after they land.
A commercial system based on the Los Alamos hardware is now available, complete with the Stubbs algorithms, from the Quatro Corporation in Albuquerque for about $100,000.
Tim Darling, another Los Alamos physicist working on the microwave interferometer with Migliori, says that as the electronics become cheaper, a microwave inspection system will eventually be applied to most large bridges in the US.
“In a decade I would like to see a battery or solar-powered package mounted under each bridge, scanning it every day to detect changes,” he says.
