Drahtlose Sensoren eröffnen neue Möglichkeiten für die Überwachung von Brücken

Forscher am College of Engineering der Drexel University haben ein solarbetriebenes, drahtloses Sensorsystem entwickelt, das die Brückenverformung kontinuierlich überwachen kann und zur Alarmierung der Behörden eingesetzt werden könnte, wenn sich die Brückenleistung erheblich verschlechtert. Laut der American Society of Civil Engineers gelten mehr als 46.000 Brücken im ganzen Land als in schlechtem Zustand. Ein System wie dieses könnte sowohl eine wichtige Sicherheitsmaßnahme sein als auch bei der Auswahl von Reparatur- und Wartungsarbeiten helfen.

Das System, das die Brückenverformung misst und kontinuierlich mit Photovoltaikstrom betrieben wird, wurde in einer kürzlich erschienenen Ausgabe des IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics in einem von den Forschern des Drexel College of Engineering, Ivan Bartoli, PhD, Mustafa Furkan, verfassten Artikel vorgestellt , PhD, Fei Lu, PhD, und Yao Wang, ein Doktorand der Hochschule.

„Angesichts der veralteten Infrastruktur in den USA brauchen wir eine Möglichkeit, diese kritischen Anlagen rund um die Uhr im Auge zu behalten“, sagte Bartoli, der die Intelligent Infrastructure Alliance am College of Engineering leitet. „Dies ist dringend erforderlich, nicht nur um katastrophale und oft tragische Ausfälle zu verhindern, sondern auch um zu verstehen, welche Brücken bei Wartung und Austausch Vorrang haben sollten, damit wir die Erhaltung und Verbesserung unserer Infrastruktur effizient und nachhaltig angehen können.“

Mehr als 40 % der 617.000 Brücken Amerikas sind älter als 50 Jahre. Obwohl sie auf Langlebigkeit ausgelegt sind, müssen sie auch regelmäßig überprüft werden – alle zwei Jahre, so Bartoli, Professor an der Fakultät für Bau-, Architektur- und Umweltingenieurwesen der Hochschule. Die derzeitige Praxis bestehe darin, eine Sichtprüfung durchzuführen und in seltenen Fällen nur die Brücken zu überwachen, die als „problematische Bauwerke“ gelten, sagte er.

Laut dem „Report Card for America's Infrastructure“ der ASCE wächst jedoch die Zahl der Brücken, die Aufmerksamkeit erfordern. Ein System wie das von Drexel könnte Bundesbehörden und Inspektoren dabei helfen, die Herausforderung zu meistern und den Gesamtbedarf an Inspektionen beim Bau neuer Brücken zu verringern.

Ihr drahtloser Wegsensor besteht aus einer Solarphotovoltaikzelle, einem Verformungsmessgerät – einem sogenannten Wegpotentiometer – und einem Überwachungsschnittstellen-Transceiver. Alle drei sind auf der Brücke montiert, um kontinuierlich deren Verformung zu messen, während der Verkehr über die Brücke fährt, und diese Informationen an eine Fernüberwachungsstation zu übermitteln.

Das Wegpotentiometer ist ein kleines, robustes und leichtes Gerät, das am Brückenträger montiert wird. Es misst die Verschiebung oder Bewegung des Trägers, wenn sich die Brücke vorübergehend verformt, wenn Fahrzeuge daran vorbeifahren. Veränderungen in diesem Verformungsmuster können ein Frühindikator für strukturelle Probleme sein.

Da das System seinen Strom aus einer Solarzelle und einer Pufferbatterie bezieht, können mehrere Potentiometer ohne Verkabelung auf der Brücke montiert werden. Das System kann eine Reihe verschiedener Sensoren aufnehmen, die Brückenbewegungen wie Beschleunigung, Neigung und Verschiebung usw. überwachen. Die Integration mehrerer Sensortypen in das System könnte ein umfassenderes Bild des Brückenzustands liefern.

„Der Hauptvorteil dieses Systems besteht darin, dass Hunderte, manchmal sogar Tausende Meter an Kabeln entfallen, die teuer sind, beschädigt werden können, Sorgfalt bei der Installation erfordern und die Gesamtkosten des Sensorsystems erhöhen“, sagte Bartoli. „Der andere Vorteil besteht darin, dass wir mit einer drahtlosen Plattform gleichzeitig viele verschiedene Arten von Sensoren auslesen könnten, nicht nur Verschiebungen, sondern auch Beschleunigungsmesser, Neigungsmesser und Dehnungsmessstreifen.“

Ein Team von Elektroingenieuren in der Abteilung für Elektrotechnik und Computertechnik von Drexel hat die Stromversorgung für das System entworfen und sie für Ausdauer und Haltbarkeit in allen Klimazonen optimiert. Es umfasst eine 21,8 mal 35 Zentimeter große 10-Watt-Photovoltaikzelle und einen 14,8-Volt-Lithium-Ionen-Akku mit großer Kapazität zur Speicherung und Abgabe der gesammelten Energie. Sie testeten es in einem Labor und draußen mitten im Winter in Pennsylvania, um sicherzustellen, dass es auch unter schwierigsten Wetterbedingungen weiterhin Strom liefern kann.

„Wir möchten sicherstellen, dass die Sensoren den ganzen Tag über kontinuierlich Messungen durchführen und Daten übertragen können. Deshalb haben wir einen Akku mit großer Kapazität verwendet, damit er das System über Nacht oder bei längerem Bewölkungsprozess mit Strom versorgen kann“, sagte Wang , der die Entwicklung des Energiesystems leitete. „Diese Konfiguration wird voraussichtlich jahrelang ununterbrochen Strom liefern und die Batterie kann drei Wochen lang selbst Strom liefern, wenn es bewölkt ist oder die Solarzelle deaktiviert wurde.“

Das Team hofft, dass der Nachweis einer erschwinglichen, einfach zu installierenden Sensoranordnung, die robust genug ist, um den Elementen standzuhalten, ohne oder mit geringem Wartungsaufwand über Jahre hinweg eine kontinuierliche Überwachung vieler Brücken ermöglichen wird, nicht nur derjenigen in schlechtem Zustand. Diese Ebene der Datenerfassung hilft dabei, das „normale“ Strukturverhalten jeder Brücke zu bestimmen und eine Warnung auszulösen, wenn sich dieses Verhalten unerwartet ändert.

„Ziel ist es, dass der Sensor eine unbegrenzte Lebensdauer hat und nur minimaler bis gar kein Wartungsaufwand erforderlich ist“, sagte Bartoli. „Zuverlässige, kontinuierliche Überwachung stellt sicher, dass diese Strukturen wie vorgesehen funktionieren. Sie ermöglicht es uns, Daten über Überlastungen und strukturelle Verformungen zu erfassen, die durch große Lasten auf einer Brücke verursacht werden. Außerdem können wir sehen, wie sich die Struktur aufgrund von Umweltfaktoren verformt, z Wind- und Temperaturschwankungen, sodass wir sicherstellen können, dass alle diese Verformungen im erwarteten Bereich liegen.

Während das System derzeit einsatzbereit ist, plant das Team, es im Labor weiter zu testen und zu verfeinern, indem es zusätzliche Sensortypen hinzufügt und die Bestimmung der gesamten Lebensdauer des Netzteils vorantreibt.

Diese Forschung wurde vom Programm „Accelerating Market Readiness“ (AMR) der Federal Highway Administration finanziert.

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