Dynamisk strukturell övervakning av en motorvägsbro

Broar är viktiga delar av vår vardag. De förbinder människor och möjliggör ett fungerande flöde av varor och tjänster. Skador, eller i värsta fall kollaps, kan få tragiska konsekvenser. Därför utvecklar ingenjörer nya system för strukturell övervakning för att förhindra sådana scenarier.

Det slovenska företaget Cestel driver ett innovativt projekt för att dynamiskt identifiera broars tillstånd genom att koppla samman deras strukturella respons med trafikbelastningen. Övervakningssystemet inkluderar sensorer från Dewesoft.

Under huvudvägsbron vid Tomačevo finns en liten värld som normalt bara besöks av enstaka hundägare eller joggare. Brostöden är täckta av graffiti. Det är här teamet från Cestel har sitt arbete.

Cestel är ett slovenskt företag och en av världens ledande aktörer inom högupplöst vägning i rörelse, trafikanalys och brobedömning. År 2022 startade företaget ett forskningsprojekt inom strukturell övervakning med en ny metod för att förstå hur broar beter sig över tid. Cestel identifierar dynamiskt broarnas tillstånd genom att koppla samman deras strukturella respons, såsom egenfrekvenser, modformer och dämpningsförhållanden, med den registrerade trafikbelastningen.

Matija Mavrič, chef för försäljning och marknadsföring på Cestel, säger: ”Vi strävar alltid efter förbättringar och utvecklar nya applikationer för att uppgradera befintlig teknik och dess användbarhet. Vår Bridge WIM Diagnostic-lösning kommer att vara unik. Förutom information om vibrationer, broförflyttningar, sprickor och väderpåverkan ger den även information om vikten på lastbilar som passerar bron.”

Broar världen över åldras och ägare undrar om de fortfarande är säkra. Därför behövs kontinuerlig strukturell övervakning. Sådana system baseras vanligtvis på:

• datainsamlingsenheter,

• sensorer som accelerometrar, temperatursensorer, töjningsgivare och vindsensorer,

• samt programvara för analys och visualisering av insamlad data.

Efter flera tragiska brokollapser de senaste åren har detta blivit en global prioritet. Europeiska unionen har initierat projektet BIM4CE, som fokuserar på broövervakning med realtidsdata och digitala tvillingar. Projektet är en del av Interreg, ett samarbetsprogram mellan flera EU-länder, inklusive Slovenien.

Problemet

Regelbundet underhåll är avgörande för att säkerställa broars säkerhet och livslängd. Bristande underhåll kan leda till strukturella skador som ökar risken för kollaps. Därför krävs kontinuerlig inspektion och övervakning för att upptäcka problem i tid.

Broar kollapsar oftast på grund av en kombination av faktorer, såsom åldrande, bristande underhåll, konstruktionsfel, tillverkningsfel eller oväntade belastningar. I vissa fall orsakas kollapser av olyckor, bränder eller naturfenomen som översvämningar och jordbävningar.

Exempel på brokollapser

Brokollapser kan leda till allvarliga konsekvenser, inklusive personskador, dödsfall och stora materiella skador. Några exempel:

• Morbi, Indien (2022), kollaps av gångbro med 135 dödsoffer

• Øyer, Norge (2022), kollaps av bro efter endast tio års användning

• Weymouth, Storbritannien (2020), kollaps av gångbro

• Mirepoix-sur-Tarn, Frankrike (2019), kollaps orsakad av överlastad lastbil

• Nanfangao, Taiwan (2019), kollaps med flera dödsoffer

• Mumbai, Indien (2019), delvis kollaps under kraftigt regn

• Genua, Italien (2018), kollaps av Morandibron med 43 dödsoffer

• Miami, USA (2018), kollaps av bro under byggnation

• Dessa händelser visar tydligt vikten av regelbundna inspektioner, underhåll och investeringar i infrastruktur.

Tomačevo-bron

Tomačevo-bron är en tvåfilig bro över floden Sava och en del av väg 104, en av de mest trafikerade förbindelserna mellan Ljubljana och dess norra förorter. Bron består av två separata konstruktioner med två körfält i varje riktning. Varje dag korsas den av tusentals pendlare och tunga lastfordon som transporterar varor till huvudstaden.

Den armerade betongbron byggdes 1982. Den har sju spann och är 204 meter lång. Varje konstruktion är 11 meter bred och rymmer två körfält för fordonstrafik, en gångbana och en cykelbana. Strukturellt består bron av:

• åtta rader av betongpelare,

• en betongplatta,

• två betongbalkar,

• en gångbana,

• ett räcke.

Instrumentering av broar

Broövervakning ger flera fördelar som bidrar till att säkerställa broars säkerhet och livslängd. Några av de viktigaste är:

• Tidigt upptäckt av strukturella problem, vilket gör att åtgärder kan vidtas innan skadorna förvärras.

• Förbättrad underhållsplanering, där data hjälper ingenjörer att prioritera insatser och använda resurser effektivt.

• Ökad säkerhet genom att potentiella risker identifieras innan de blir kritiska.

• Kostnadsbesparingar, eftersom problem kan åtgärdas tidigt och därmed minska behovet av dyra reparationer eller utbyten.

• Förbättrad datainsamling och analys, vilket bidrar till bättre design- och konstruktionsmetoder i framtida projekt.

Sammanfattningsvis är broövervakning ett viktigt verktyg för att säkerställa säkerhet och hållbarhet, samtidigt som det ger värdefulla insikter för framtida infrastrukturutveckling.

Den strukturella Bridge-WIM Diagnostic-lösningen är ett nytt koncept som kombinerar WIM-sensorer med lågbrusiga triaxiella MEMS-accelerometrar.

Kärnan i detta koncept är Cestels SiWIM-system för vägning i rörelse, i kombination med Dewesofts triaxiella accelerometrar. Idén är att dynamiskt fastställa broarnas tillstånd genom att koppla samman deras strukturella respons med den uppmätta trafikbelastningen. Utöver fordonslaster övervakas även flera andra parametrar:

• temperatur,

• töjning,

• vindhastighet,

• vertikala förskjutningar.

Systemet installerades på en av broens två riktningar, under körfälten som leder mot Ljubljana.

Sensorer

SiWIM är ett helt portabelt system för vägning i rörelse. WIM-teknologi gör det möjligt att väga fordon medan de är i rörelse, utan att stoppa trafiken. Det är en effektiv och icke-invasiv metod för att samla in data om fordonsvikter och trafikmönster, och används inom transport- och infrastrukturförvaltning.

Teknologin innebär att sensorer installeras på broarnas undersida. Dessa mäter de dynamiska hjullasterna från passerande fordon, vilket gör det möjligt att beräkna fordonens vikt.

Bridge-WIM-system används i flera syften, bland annat för kontroll av tunga fordon, insamling av trafikdata samt förvaltning av vägar och broar. Inom fordonskontroll kan systemen identifiera överlastade fordon som kan orsaka skador på infrastrukturen och utgöra en säkerhetsrisk. I kombination med kameror kan systemet även ta bilder av fordon, inklusive registreringsnummerigenkänning.

Trafikdata som samlas in med WIM-system ger värdefull information om trafikmönster och stödjer planering och förvaltning av transportinfrastruktur. Dessutom möjliggör WIM-data en bedömning av infrastrukturens strukturella tillstånd och identifiering av områden som behöver underhåll eller reparation.

SiWIM mäter vanligtvis töjningar i broarnas längsgående huvudkomponenter för att registrera hur konstruktionen beter sig under rörliga fordonslaster. Mätningarna utförs med SiWIM ST-504 töjningsgivare som är installerade på undersidan av brobanan. Inga delar av systemet är synliga på vägbanans yta.

IOLITEiw-3xMEMS-ACC är en triaxiell accelerometer med låg brusnivå, 25 μg√Hz spektral brusdensitet, med integrerad datainsamling och EtherCAT-gränssnitt. Enheten är helt vattentät med kapslingsklass IP67. Den kan mäta strukturella accelerationer i X-, Y- och Z-riktningarna, statiska lutningar samt förskjutningar.

Cestel använder en Deflection Multi Meter (DMM) för att mäta broars vertikala nedböjning i realtid med en samplingsfrekvens på 10 Hz. Mätningen baseras på en optisk referensnivå som skapas med en laser och ett mål.

Lasern monteras på en stabil, icke-rörlig yta, medan målet placeras där nedböjningen ska mätas. Enheten har ett mätområde på 160 mm, en upplösning på 0,5 mm och kan mäta avstånd upp till 350 meter.

Deflection Multi Meter (DMM) är en ny typ av nivåmätningsenhet för övervakning av tillståndet hos stora bärande konstruktioner, såsom broar.

Mätutrustningen baseras på en planlaser, i detta fall Leica Rugby 830. I kombination med DMM-enheter mäter den konstruktionens nedböjning från flera punkter. Realtidsmätning gör systemet unikt jämfört med andra metoder. DMM-enheten är lämplig både för belastningstester och för långsiktig övervakning.

Sensorerna kopplas i serie och avläses av en dator via en RS-485-kabel, som även förser systemet med driftspänning. MODBUS-protokollet används för dataöverföring, vilket gör det möjligt att integrera DMM-enheter med andra mätsystem. Resultaten kan visas i valfri programvara som stöder MODBUS.

I många tillämpningar kan DMM-enheter fästas på konstruktionen med klämmor eller magneter, vilket gör systemet flexibelt och snabbt att installera.

För att övervaka omgivnings- och asfalttemperatur installeras PT100-temperatursensorer i asfalten och under bron.

Övervakningsprogramvara

Lösningen bygger på en kombination av flera programvaror:

SiWIM används för att samla in trafikdata och analysera broars beteende genom influenslinjer och lastfördelningar, vilket är avgörande för att omvandla trafiklaster till lastpåverkan och axellaster till moment och tvärkrafter.

DewesoftX är programvara för test och mätning som används för signalbehandling, datainsamling, analys och visualisering.

Dewesoft Historian är en databastjänst för långsiktig övervakning som lagrar data i en InfluxDB-tidsseriedatabas.

Dewesoft Artemis OMA är en mjukvaruplattform för analys av strukturdynamik i byggnadsverk och andra konstruktioner där kontrollerad excitation är svår. Den möjliggör bestämning av modformer, egenfrekvenser och dämpningsförhållanden baserat enbart på utdata.

Uppbyggnad av mätsystemet

PT100-temperatursensorerna ansluts till IOLITEi-1xSTG. IOLITEi-1xSTG är ett mångsidigt signalbehandlingssystem baserat på EtherCAT. Det kan mäta signaler från spänning och ström samt från full-, halv- och kvartbryggkopplade sensorer och erbjuder justerbar spännings- och strömmatning.

IOLITEi-1xSTG-förstärkare används även för att ansluta SiWIM ST-504 töjningsgivare i fullbryggkoppling.

För mätning av acceleration används kapacitiva triaxiella MEMS-sensorer med låg brusnivå. Dessa är integrerade i EtherCAT-enheten IOLITEiw-3xMEMS-ACC.

En mikroprocessor i IOLITE-enheten skickar mätvärdena vidare. Dessa överförs till DewesoftX-programvaran som körs på Windows eller till en EtherCAT-master på valfri plattform, i detta fall SiWIM-systemet.

DMM-sensorn skickar ut data via MODBUS och är direkt ansluten till DewesoftX genom Dewesoft Modbus Client-plugin.

Data som bearbetas i DewesoftX och SiWIM skickas vidare till databasen Dewesoft Historian. En övervakningsklient, Grafana, används sedan för att skapa dashboards som visar:

• temperaturer,

• trafikbelastning,

• accelerationer,

• vertikala förskjutningar.

Programvaran är webbaserad och plattformsoberoende, vilket innebär att den kan nås från valfri enhet.

Rådata för acceleration från DewesoftX skickas via FTP till Dewesoft Artemis för realtidsanalys med OMA och skadedetektering.

Systemet drivs av två 300 Ah LiFe-batterier och fyra solpaneler på 150 W.

Sensorplacering

På stora konstruktioner som broar innebär val av sensorer, deras placering och installation flera utmaningar:

• Placering och sensortyper väljs utifrån brokonstruktionen och dess aktuella skick.

• Montering är ofta komplex och sker vanligtvis under brobanan eller ibland inbyggt i konstruktionen.

• Kabeldragning är utmanande på grund av höjd och avstånd.

• Miljöförhållandena är krävande.

Det italienska företaget ESSEBI har över 30 års erfarenhet av strukturell diagnostik och övervakning. Företaget är specialiserat på operativ modal analys och har lång erfarenhet av sådana tillämpningar. ESSEBI fungerar idag som projektintegratör och erbjuder tekniskt stöd i många SHM-installationer i Italien.

I detta projekt gav ESSEBI rådgivning kring val av sensorer och konfigurering av mätpunkter. Särskilt fokus låg på integrationen mellan SHM och WIM.

ESSEBI utvecklar även korrelationsalgoritmer mellan de två mätmetoderna. Med hjälp av programvarorna Simcenter Testlab och Artemis har företaget genomfört tre oberoende modalanalyser av bron. Dessa analyser visar en lågfrekevent variation kopplad till temperatur, vilket är viktigt att följa över tid för att kunna planera underhåll.

Sammanfattningsvis har Cestel installerat följande sensorer:

• SiWIM ST-504-sensorer

• en Deflection Multi Meter (DMM)

• 14 stycken IOLITEiw-3xMEMS-ACC accelerometrar

• 5 stycken IOLITEi-1xSTG-enheter, tre för ST-504 och två för temperatursensorer

IOLITE-enheterna är seriekopplade med en standard Ethernet-kabel. EtherCAT-protokollet gör det möjligt att enkelt distribuera enheterna över stora avstånd. Avståndet mellan två noder kan vara upp till 50 meter, och endast en kabel används för signal, strömförsörjning och synkronisering.

EtherCAT-kommunikationen säkerställer en synkronisering på 1 µs mellan mätvärden från olika enheter i kedjan. Avståndet mellan enheterna påverkar inte synkroniseringsprecisionen.

Installation av sensorer och kabeldragning utfördes av den erfarna personalen på Cestel. För att nå de mest svåråtkomliga platserna användes en lyftplattform.

Övervakning och mätningar

Övervakningsresultat, inklusive laster, accelerationer, nedböjningar och temperaturer, presenteras via Dewesoft Grafanas webbaserade gränssnitt.

Den 9 mars 2023 passerade en 13-axlig lastbil på över 200 ton bron vid cirka kl. 20:02. Den orsakade en nedböjning på cirka 3,6 mm.

Systemet utför OMA (Operational Modal Analysis) automatiskt. Data är tillgängliga på distans via webbläsargränssnitt som utvecklats för detta ändamål. Information om modformer, egenfrekvenser och dämpningsförhållanden, samt avvikelser från normaliserade värden, presenteras där.

Slutsats

CESTEL har initierat ett innovativt forskningsprojekt för att dynamiskt identifiera broars tillstånd genom att koppla samman deras strukturella respons med trafikbelastningen. Flera sensorer, inklusive SiWIM, accelerometrar, töjningsgivare och temperatursensorer, installerades på bron.

Sensorerna kunde enkelt distribueras längs bron tack vare seriekoppling med en enda kabel. Systemet lagrar data i Dewesoft Historian och gör dem tillgängliga via Dewesoft Grafanas webbaserade gränssnitt. För analys utförs dessutom OMA i realtid.

”För oss innebär forskningsprojektet utveckling och testning av olika sensorer och mjukvaror. I slutskedet kommer det att erbjuda marknaden en unik lösning för onlinebaserad strukturell övervakning av broar i kombination med axellaster från trafikflödet. Dewesofts lösningar för strukturell övervakning, inklusive datainsamlingssystem och mjukvara, hjälpte oss att snabbt sätta upp ett fungerande demosystem och påskynda vår forskning. Utmärkta verktyg!”