Samen met vliegende auto's en onmiddellijke teleportatie, slimme bruggen, wegen en metrolijnen die waarschuwingen kunnen uitzenden wanneer ze beschadigd zijn, zijn hoofdbestanddelen van futuristische transportsystemen in sciencefiction.

Sandia National Laboratories heeft gewerkt met Structural Monitoring Systems PLC, een in het VK gevestigde fabrikant van sensoren voor structurele gezondheidsbewaking, al meer dan 15 jaar om van deze sciencefiction een wetenschappelijk feit te maken. Ze rustten een Amerikaanse brug uit met een netwerk van acht realtime sensoren die onderhoudstechnici kunnen waarschuwen wanneer ze een scheur detecteren of wanneer een scheur een lengte bereikt die gerepareerd moet worden.

Volgende week, Sandia Senior Scientist Dennis Roach zal het werk van zijn team presenteren op de negende International Conference on Bridge Maintenance, Veiligheid en Beheer. Zijn presentatie zal gegevens bevatten over deze proefbrug, een algemene beoordeling van de gebruikte sensoren en zijn voorstel om structurele gezondheidsmonitoring meer routine te maken in de transportinfrastructuur.

Het doel van structurele gezondheidsmonitoring is het vergroten van het toezicht op kritieke gebieden, de levensduur van constructies verlengen en uiteindelijk de bedrijfskosten verlagen en de veiligheid verbeteren. Om de toestand van een brug of een ander soort transportinfrastructuur te beoordelen, sensoren zijn op de structuur gemonteerd en hun gegevens moeten goed worden geanalyseerd.

in 2016, meer dan 54, 000 bruggen in de VS werden geclassificeerd als "structureel gebrekkig" door de National Bridge Inventory van de Federal Highway Administration. Dit betekent dat ongeveer 9 procent van de Amerikaanse bruggen regelmatig moet worden gecontroleerd. "Gebieden die moeilijk toegankelijk zijn of dingen die zich op afstand bevinden, zoals bruggen, pijpleidingen en andere kritieke constructies vormen aanzienlijke uitdagingen om de gezondheid van de constructie of apparatuur goed te bewaken, " zei Roach. "Een netwerk van structurele gezondheidsmonitoringsensoren zou een oplossing kunnen zijn, of op zijn minst helpen zorgen voor de nodige waakzaamheid over deze componenten."

Onlangs, Sandia en structurele monitoringsystemen, die een aanzienlijke aanwezigheid heeft in Noord-Amerika, werkte samen met Delta Air Lines Inc. en de Federal Aviation Administration om de Comparative Vacuum Monitoring-sensorenindustrie gecertificeerd te krijgen voor scheurdetectie in commerciële vliegtuigen. Roach's werk met structurele gezondheidsmonitoring voor commerciële vliegtuigen begon in 2001 via het Airworthiness Assurance Center van de FAA, die sinds 1990 door Sandia voor de FAA wordt geëxploiteerd.

'Foolproof' vergelijkende vacuümbewakingssensoren

Het structurele gezondheidsmonitoringsysteem voor de proefbrug bestaat uit acht Comparative Vacuum Monitoring-sensoren, een vacuümpomp om het vacuüm te vormen, een besturingssysteem om de vacuümpomp aan te zetten en periodiek de sensoren te controleren en een draadloos zendapparaat om autonoom de onderhoudsmonteurs te bellen of te sms'en als een sensor een scheur detecteert. Het hele systeem wordt aangedreven door een lithium-ionbatterij, die wordt opgeladen door een zonnepaneel.

De sensoren werden langs verschillende lassen op een truss 100 voet boven het dek geplaatst, of vlak wegdek, op een hangbrug.

De vergelijkende vacuümbewakingssensoren geproduceerd door Structural Monitoring Systems zijn gemaakt van dun, flexibele Teflon en hebben rijen van kleine kanalen, galerieën genoemd. Ze kunnen op kritieke verbindingen of lassen worden geplakt of in de buurt van andere plaatsen worden geplaatst waar zich scheuren kunnen vormen. Als het metaal heel is, de pomp kan alle lucht uit de galerijen verwijderen, een vacuüm vormen. Wanneer zich een klein scheurtje vormt in het metaal onder de sensor, het kan geen vacuüm meer vormen, vergelijkbaar met hoe een stofzuiger stopt met werken wanneer de slang lekt. Deze sensoren kunnen scheuren detecteren die kleiner zijn dan de dikte van een dubbeltje.

De sensoren kunnen in veel verschillende vormen worden geproduceerd, afhankelijk van de regio die moet worden gecontroleerd, zoals over een lange las of rond een reeks bouten. Ze kunnen zelfs in een reeks voor een klein scheurtje worden geplaatst, om te zien of het groeit en zo ja, hoe snel. Elke sensor heeft talloze controlegalerijen en bewakingshardware, zodat hij kan zien of er iets mis is met de sensor of verbindingsbuizen. Vanwege deze controlegalerijen, de sensoren zijn praktisch onfeilbaar.

Hendrik Kroker, een ingenieur Structural Monitoring Systems die een sleutelrol speelde in het monitoringproject van de brug, zei, "Vergelijkende Vacuüm Monitoring-sensoren zorgen voor een elegant 'Green-Light, Red-Light'-methode voor het continu inmeten van kritische componenten. In vele jaren van proef en permanent gebruik in de luchtvaart en nu de civiele industrie, deze sensoren hebben geen valse oproepen geproduceerd."

Toekomst van structurele gezondheidsmonitoring

Het werk van het team aan slimme infrastructuur begon in 2005 via een door Sandia gesponsord Laboratory Directed Research and Development-project. Het project onderzocht het gebruik van gemonteerde sensoren en draadloze gegevensoverdracht om continu een breed scala aan civiele constructies te bewaken, variërend van zware mijnbouwapparatuur tot spoorwegsystemen en bruggen. Deze sensoren kunnen de gezondheid van constructies en mechanische apparaten bewaken door de aanwezigheid van corrosie en scheuren en zelfs de toestand van kritieke bewegende delen te detecteren.

Roach en zijn team gebruiken ook piëzo-elektrische sensoren, glasvezel en geprinte wervelstroomsensoren voor structurele gezondheidsmonitoring. Gedrukte wervelstroomsensoren, een door Sandia gepatenteerde technologie, kan op gebogen oppervlakken worden geïnstalleerd en veranderingen in een magnetisch veld gebruiken om scheuren te detecteren. Anderzijds, een netwerk van piëzo-elektrische sensoren kan een groot gebied bewaken in plaats van slechts een paar patches. Elke sensor zendt om de beurt een trilling uit door het onderliggende materiaal dat de andere sensoren ontvangen. Barsten of andere beschadigingen in het sensornetwerk veranderen de "toonhoogte" van deze trillingen. Echter, deze toonhoogteveranderingen zijn complexer dan de "ja" of "nee" resultaten van de vacuümmonitors. Comparative Vacuum Monitoring is klaar en gecertificeerd voor commercieel gebruik, de andere technologieën bevinden zich nog in verschillende stadia van laboratorium- en veldtesten.

Tom Rijst, de mechanische testingenieur die verantwoordelijk is voor het testen van verschillende structurele gezondheidsbewakingssystemen, zei:"In 15 jaar testen van vergelijkende vacuümbewakingssensoren, ze hebben een enorme staat van dienst opgebouwd in het produceren van betrouwbare structurele gezondheidsmonitoring. Zodra ze in meer systemen zijn opgenomen, in zorggebieden, het gaat gewoon vliegtuigen maken, treinen en bruggen veiliger naarmate de tijd verstrijkt."

Structurele gezondheidsmonitoring is vooral goed voor moeilijk bereikbare of afgelegen gebieden, maar het is geen wondermiddel voor alle inspectiebehoeften, zei Roek. "Er zijn nog steeds genoeg momenten waarop je een mens met een zaklamp of andere inspectieapparatuur wilt, redeneren het uit." Met dat voorbehoud, hij voegde eraan toe:"Structurele gezondheidsmonitoring begint pas de oppervlakte te bekrassen van de verschillende soorten infrastructuur waarvoor het zou kunnen worden gebruikt."

Treinwagons en spoorlijnen, schepen, windturbines, energiecentrales, afgelegen pijpleidingen, opslagtanks, voertuigen, zelfs gebouwen kunnen profiteren van realtime, structurele gezondheidsmonitoring op afstand. "De civiele infrastructuurindustrie wordt zich steeds meer bewust van de voordelen die structurele gezondheidsmonitoring kan bieden en is nu geïnteresseerd in het gebruik ervan, ' zei Roek.