Dapatkah integritas struktural jembatan diukur secara real-time untuk keselamatan?

Sebagai tindak lanjut dari pertanyaan ini , saya bertanya-tanya apakah informasi pemantauan integritas struktural dapat diberikan secara waktu nyata dan sampai tingkat yang cukup sehingga keputusan keselamatan dapat dibuat secara realistis dari informasi tersebut.

Untuk meletakkan segala sesuatu dalam konteks, di AS dan bagian lain di dunia pemerintah federal, negara bagian, dan lokal secara teratur menerima laporan integritas struktural pada infrastruktur, termasuk jembatan. Laporan-laporan ini adalah hasil penilaian yang dilakukan berdasarkan jadwal, dan bisa beberapa bulan atau mungkin bertahun-tahun antara penilaian.

Jembatan adalah bagian penting dari ekonomi pemerintah federal, negara bagian, dan lokal karena mereka menyediakan infrastruktur penting. Penting juga untuk melindungi tanda tanah bersejarah seperti Jembatan Golden Gate.

_{Jembatan Golden Gate, jembatan ikonik di Amerika Serikat}

Dan konsekuensi dari kurangnya informasi bisa sangat parah. Misalnya, pada Agustus 2007 jembatan Mississippi River I-35W runtuh, yang mengakibatkan banyak nyawa melayang.

_{I-35W setelah runtuh}

Pertanyaan:

• Adakah teknologi yang dapat memberikan status waktu-nyata sedemikian rupa sehingga mereka dapat membantu memperingatkan pemerintah federal, negara bagian, dan lokal tentang kegagalan jembatan yang akan datang? Misalnya, apakah ada sesuatu yang bisa meramalkan runtuhnya I-35 dan memberi tahu masyarakat untuk menghindari hilangnya nyawa? Sepertinya sensor nirkabel ini untuk memantau integritas struktural jembatan akan berfungsi, tetapi saya tidak yakin karena domainnya berada di luar pengalaman saya.

Ada banyak sensor berbeda yang dapat ditempatkan di jembatan untuk membantu memantau kondisinya . Setelah jembatan I-35 runtuh, daerah ini telah melihat banyak publisitas . Sebagian besar sensor ini sebelumnya tersedia, tetapi kebutuhan itu tidak jelas bagi publik.

Sensor

• Akselerometer
• Pengukur Regangan
• Transduser Perpindahan
• Stasiun Pengindera Tingkat (Monitor Miring)
• Anemometer
• Sensor Suhu
• Sensor Dinamis Bergerak Berat
• Monitor Korosi
• Monitor Retak Akustik
• Monitor Kabel Akustik

Sensor-sensor ini bisa kabel atau nirkabel. Beberapa bahkan ditenagai oleh getaran dari kendaraan yang melintas.

Biaya

Biaya adalah faktor utama dalam mempertimbangkan sistem pemantauan jembatan. Bahkan jika biaya awal tampaknya masuk akal :

Sensor kecil, nirkabel, kasar, dan praktis tidak memerlukan pemeliharaan, katanya. Mereka diperkirakan akan bertahan lebih dari satu dekade, dengan biaya masing-masing sekitar $ 20. Jembatan jalan raya berukuran rata-rata akan membutuhkan sekitar 500 sensor untuk total biaya sekitar $ 10.000.

Ini tidak memperhitungkan biaya pemantauan sensor yang terus menerus. Pemantauan waktu nyata itu mahal dan bahkan kurang dari pemantauan waktu nyata memaksakan pengeluaran yang konstan pada anggaran Departemen Perhubungan yang sudah terlalu tipis. Jika ada lebih banyak uang dalam anggaran, jembatan akan berada dalam kondisi yang lebih baik.

Jembatan-jembatan ini sudah diperiksa secara berkala oleh inspektur terlatih yang memanjat seluruh struktur. Ini dilakukan pada jembatan I-35 dan masih runtuh.

Biaya dan kompleksitas sistem berarti bahwa hanya beberapa struktur yang sangat besar akan dipantau sepenuhnya. Biaya sistem ini kemungkinan lebih dari jumlah yang tercantum di atas. Nilai di atas juga hanya biaya sensor individu. Sebuah studi penuh tentang jembatan harus dilakukan untuk memastikan bahwa sensor ditempatkan di lokasi yang paling berguna.

Lokasi

Setiap sensor hanya mengukur satu titik data tunggal. Harus ada banyak pemikiran dan penelitian untuk menentukan sensor mana yang paling bermanfaat.

Bahkan setelah sensor ditempatkan, kriteria yang komprehensif harus ada sehingga orang yang memantau hasil sensor akan tahu apa yang merupakan peringatan . Mungkin ada banyak positif palsu dan bahkan negatif palsu.

Seperti yang ditunjukkan artikel :

Pada akhirnya, tambah Fu, penginderaan jauh real-time akan berfungsi sebagai suplemen yang berharga, tetapi tidak sepenuhnya menggantikan inspeksi manusia. "Anda tidak bisa meletakkan sensor di mana-mana," katanya.

Hasil akhir

Bahkan jika semua sensor ini berada di jembatan I-35 dan dimonitor secara real-time, keruntuhan yang sebenarnya terjadi sangat cepat sehingga lalu lintas tidak akan dapat dihentikan pada waktunya. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa akan ada lebih banyak informasi untuk diselidiki oleh simpatisan.

Pikirkan Kotak Hitam pesawat , tetapi untuk jembatan.

Pemantauan waktu nyata dapat dilakukan dan telah dilakukan. Teknologi ada di sana dan sebagaimana ditunjukkan oleh hazzey, adalah masalah biaya versus risiko yang terlibat.

Sebagai seorang Engineer yang berpraktik, saya / saya terlibat dalam dua proyek penggalian yang dalam di dua negara yang berbeda di mana terowongan cut-and-cover dibangun / dibangun tepat di bawah jembatan jalan raya utama. Dalam kedua kasus tersebut, penutupan lalu lintas atau pengalihan bukanlah suatu pilihan. Otoritas Bangunan di kedua proyek meminta pemantauan kesehatan struktural waktu-nyata karena konsekuensi kecelakaan dapat menjadi bencana besar.

Dalam kedua proyek tersebut, sejumlah prisma optik bersama dengan total station robot dikerahkan untuk memantau pergerakan dermaga jembatan. Total stasiun terhubung ke server di mana data diunggah secara terus menerus. Server itu sendiri terhubung ke internet, di mana pihak-pihak yang terlibat dapat mengunduh data dan memproses informasi. Selain itu, beberapa sistem dapat menghasilkan peringatan SMS jika tingkat yang telah ditentukan dilanggar.

Sebelum pemantauan dilakukan, penilaian dampak / kerusakan harus dilakukan untuk menentukan:

• gerakan tanah yang diprediksi (horizontal dan vertikal) pada fondasi jembatan berdasarkan metode konstruksi
• jenis kekuatan yang akan diinduksi pada tumpukan
• kapasitas struktural tiang pancang yang ada sebagaimana ditentukan dari gambar as-built
• beban yang ada di tiang pancang selama layanan
• kapasitas cadangan tumpukan
• gerakan lateral yang diijinkan dan penyelesaian pondasi jembatan

Ini diikuti oleh survei kondisi untuk menilai kondisi kesehatan jembatan saat ini. Ini biasanya mencakup inspeksi visual untuk keretakan dan pengukuran pada pergerakan bantalan jembatan.

Jembatan beton dan baja bertulang, dalam keadaan normal, tidak memerlukan pemantauan waktu nyata karena tidak tiba-tiba gagal. Jembatan yang telah dirancang dengan baik cenderung gagal dalam pelayanan sebelum gagal secara struktural, memberikan peringatan yang cukup sebelum runtuh. Juga, inspeksi dan pemeliharaan rutin jembatan membantu memastikan bahwa jembatan tetap dapat digunakan.

Dengan data yang cukup, pemantauan waktu nyata dapat menangkap tren pergerakan jangka panjang dan memperbaiki kesalahan pembacaan. Dalam kasus desain yang fatal, kesalahan manusia dalam menginterpretasikan catatan survei, atau kesalahan manusia dalam penilaian kapasitas struktur jembatan, pemantauan waktu nyata tidak akan banyak membantu untuk mencegah bencana.

Pemantauan struktural dengan sensor memang memungkinkan. Masalahnya adalah biaya pemantauan, dan bagian mana yang benar-benar dapat dipantau.

Semakin kritis suatu jembatan, semakin besar kemungkinan layak untuk membayar biaya pemantauan (kekritisan terutama disebabkan oleh jumlah kendaraan yang menyeberang per hari, tetapi juga ketersediaan rute alternatif dan panjangnya (yaitu jumlah kendaraan) yang mungkin ada di sana selama runtuh) berperan). Sebuah jembatan besar yang dibangun akhir-akhir ini kemungkinan memiliki semacam pemantauan yang dibangun di dalamnya, seperti disebutkan dalam artikel yang Anda tautkan, dan contohnya adalah Forth Replacement Crossing (sekarang disebut Queensferry Crossing). Beberapa jembatan memiliki sistem yang dipasang, seperti Forth Road Bridge yang ada , yang memiliki pemantauan akustik untuk mendengarkan kabel putus.

Jembatan yang ada kemungkinan besar akan dilengkapi dengan pemantauan jika penilaian menunjukkan bahwa ada alasan untuk khawatir. Jika penilaian jembatan menemukan bahwa bagian dari jembatan semakin memburuk, itu mungkin merekomendasikan inspeksi yang lebih sering, atau pemasangan pemantauan. Karena biaya pemantauan, ini kemungkinan hanya terjadi pada jembatan besar.

Jadi, dapatkah pemantauan mencegah keruntuhan I35-W?

Pertama: I35-W, meskipun bukan jembatan kecil, tidak pada skala yang sama dengan Jembatan Golden Gate atau jembatan Forth. Pemantauan karenanya hanya mungkin dipasang jika jembatan telah diidentifikasi sebagai kurang. Dan itu tidak terjadi karena inspeksi dan penilaian jembatan rutin gagal memperhatikan bahwa pelat penghubung kecil berukuran terlalu kecil. Tautan Anda ke sensor tampaknya menyarankan bahwa sensor baru yang lebih murah sekarang mungkin tersedia. Saya masih tidak dapat melihat biaya yang terjangkau mengingat jumlah geser jembatan yang masing-masing otoritas memiliki kendali, tetapi mungkin dalam jangka waktu yang lama (katakanlah 50 tahun karena anggaran akan mencapai 2% dari jembatan otoritas per tahun - angka dicabut sepenuhnya dari udara oleh saya) itu bisa terjadi.

Kedua: Saya tidak percaya sebagian besar pemantauan adalah waktu nyata. Meskipun saya yakin sistem pemantauan memiliki alarm otomatis yang berbunyi jika gerakan signifikan terjadi, saya berjuang untuk percaya bahwa seseorang akan memiliki respons yang sangat cepat terhadapnya. Kemungkinan besar, alarm sistem akan menghasilkan seseorang yang akan melihat, mungkin pada hari yang sama mungkin tidak. Terutama sistem yang ada untuk melihat masalah jangka panjang. Mengambil Forth Road Bridge sebagai contoh - pemantauan akustik ada untuk merekam "ping" dari untaian kabel putus. Ada beberapa ribu helai individu yang membentuk kabel suspensi. Pemantauan akustik ada sehingga seseorang dapat melihat hasilnya dan mengatakan "sepertinya 63 telah patah dalam enam bulan terakhir, mungkin kita harus berpikir tentang melakukan sesuatu untuk mengurangi beban". Saya tidak T pikir itu benar-benar ada dengan harapan bahwa itu akan merekam 100 gertakan dalam sehari, mengakibatkan jembatan ditutup secara instan. (Jembatan Forth Road ditutup karena angin kencang beberapa kali setahun - mereka memiliki sistem yang tepat untuk menutupnya).

Ketiga: laporan resmi ke keruntuhan menunjukkan bahwa kegagalan itu sangat tiba-tiba: mungkin ada peringatan 10 detik. Bahkan dengan pemantauan realtime, Anda perlu a) menerima hasil, b) menentukan bahwa mereka sangat buruk (mudah jika Anda memiliki 100 ping dalam contoh Keempat saya, sulit jika Anda memiliki accelerometer sesuai tautan Anda, yang mungkin memberi tahu Anda bahwa jembatan bergerak 0,05 derajat) dan c) bawa polisi ke sana untuk menutup jembatan. Estimasi total waktu: 10 menit jika Anda sangat beruntung. Tidak 10 detik. (Dan mungkin lebih seperti 3 bulan jika Anda mengatur pemantauan untuk efek jangka panjang dan tidak yakin apakah 0,05 derajat itu signifikan atau tidak, karena sistem tidak diatur untuk itu.)

Penafian - Saya sudah mencoba memasukkan fakta dan referensi ke tempat yang saya bisa, tetapi kesimpulan yang sebenarnya saya dapatkan sangat didasarkan pada pendapat saya dan bukan fakta langsung.