無線センサーが橋梁監視の新たな可能性を開く

ドレクセル大学工学部の研究者らは、橋の変形を継続的に監視でき、橋の性能が著しく低下した場合に当局に警告するために使用できる太陽光発電の無線センサーシステムを開発した。米国土木学会によると、全米で46,000以上の橋が状態が悪いと考えられており、このようなシステムは重要な安全対策であると同時に、修理やメンテナンスの取り組みの優先順位付けにも役立つ可能性がある。

橋の変形を測定し、太陽光発電で継続的に稼働するこのシステムは、IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronicsの最新版で、Drexel College of Engineeringの研究者であるIvan Bartoli博士とMustafa Furkan氏が執筆した論文で発表されました。、博士、フェイ・ルー博士、および大学の博士課程の学生であるヤオ・ワン。

「米国には老朽化したインフラが数多くあるため、これらの重要な資産を24時間365日監視し続ける方法が必要です」と工学部のインテリジェント・インフラストラクチャー・アライアンスを率いるバルトリ氏は述べた。「これは緊急の必要性であり、悲惨でしばしば悲惨な事故を防ぐだけでなく、インフラの維持と改善に効率的かつ持続的に取り組むことができるように、どの橋がメンテナンスと交換を優先すべきかを理解するためでもあります。」

アメリカにある 617,000 の橋のうち 40% 以上が建設から 50 年以上経過しています。同大学の土木・建築・環境工学科の教授であるバルトリ氏によると、建物は長持ちするように作られているが、2年ごとに定期的に検査する必要があるという。現在の慣例では目視検査が行われており、まれに「問題のある構造物」とみなされた橋のみを監視していると同氏は述べた。

しかし、ASCEの「アメリカのインフラに関するレポートカード」によると、注意が必要な橋の数は増えているという。ドレクセルのようなシステムは、連邦機関や検査官がこの課題にしっかりと対処し、新しい橋が建設される際の全体的な検査の必要性を減らすのに役立つ可能性がある。

同社のワイヤレス変位センサーは、太陽電池、変位ポテンショメータと呼ばれる変形測定装置、および監視インターフェーストランシーバーで構成されています。 3 つすべてが橋に取り付けられ、交通が橋を通過する際の変形を継続的に測定し、その情報を遠隔監視ステーションに送信します。

変位ポテンショメータは、橋の桁に取り付ける小型、堅牢、軽量のデバイスです。車両が通過するときに橋が一時的に変形するときの変位、つまり橋桁の動きを測定します。この変形パターンの変化は、構造上の問題を早期に示す可能性があります。

このシステムは太陽電池とバックアップバッテリーから電力を供給するため、配線なしで複数のポテンショメータをブリッジに取り付けることができます。このシステムは、加速度、傾斜、変位などの橋の動きを監視するさまざまなセンサーを多数搭載できます。複数のタイプのセンサーをシステムに統合すると、橋の健全性をより完全に把握できる可能性があります。

「このシステムの主な利点は、高価で損傷する可能性があり、設置時に注意が必要で、センシングシステム全体のコストが増加する数百、場合によっては数千フィートのケーブルを除去できることです」とバルトリ氏は述べた。「もう 1 つの利点は、1 つのワイヤレスプラットフォームで、変位だけでなく加速度計、傾斜計、ひずみゲージなど、さまざまな種類のセンサーを同時に読み取ることができることです。」

ドレクセル社の電気・コンピュータ工学部の電気エンジニアのチームは、システムの電源を設計し、あらゆる気候での耐久性と耐久性を最適化しました。これには、21.8×35センチメートル、10ワットの太陽電池と、収集したエネルギーを貯蔵および分配するための大容量14.8ボルトのリチウムイオン電池が含まれています。彼らは研究室とペンシルベニア州の真冬の屋外でテストし、最も厳しい気象条件でも電力を供給し続けることができることを確認しました。

「センサーが一日中継続的に測定を行い、データを送信できることを保証したいので、夜間または長時間曇りの場合でもシステムに電力を供給できるように大容量バッテリーを使用しました」とワン氏は述べています。、電力システムの開発を主導しました。「この構成では、何年にもわたって途切れることなく電力を供給できることが期待されており、曇りの場合や太陽電池が無効になっている場合でも、バッテリーは 3 週間単独で電力を供給できます。」

研究チームは、手頃な価格で設置が簡単なセンサーアレイが、何年にもわたってほとんど、またはまったくメンテナンスを行わずに風雨に耐えられるほど頑丈であることを証明することで、状態の悪い橋だけでなく、多くの橋を継続的に監視できるようになると期待している。このレベルのデータ収集は、各橋の「通常の」構造動作がどのようなものであるかを判断し、その動作が予期せず変化した場合に警告を発するのに役立ちます。

「目標は、メンテナンスの必要性を最小限に抑え、またはまったく必要とせずにセンサーを無期限に使用できるようにすることです」とバルトリ氏は語った。「信頼性の高い継続的なモニタリングにより、これらの構造物が意図したとおりに動作していることが保証されます。これにより、過負荷や、橋にかかる大きな荷重によって引き起こされる構造の変形に関するデータを取得することができます。また、構造物が次のような環境要因によってどのように変形するかを確認することもできます。」風や温度の変化により、これらの変形がすべて予想範囲内に収まることを確認できます。

現在、このシステムは導入の準備ができていますが、チームは、さらに種類のセンサーを追加し、電源の全寿命の判定を進めることで、ラボでのテストと改良を継続する予定です。

この研究は、連邦道路局の市場準備の加速 (AMR) プログラムによって資金提供されました。

Drexel News は University Marketing and Communications によって制作されています。

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