L'intégrité structurelle des ponts peut-elle être mesurée en temps réel pour la sécurité?

Pour faire suite à cette question , je me demande si les informations de surveillance de l'intégrité structurelle peuvent être fournies en temps réel et dans une mesure suffisante pour que des décisions de sécurité puissent être prises de manière réaliste à partir de ces informations.

Pour mettre les choses en contexte, aux États-Unis et dans d'autres parties du monde, les gouvernements fédéral, étatiques et locaux reçoivent régulièrement des rapports d'intégrité structurelle sur les infrastructures, y compris les ponts. Ces rapports sont les résultats d'évaluations effectuées sur une base planifiée, et il peut s'écouler plusieurs mois, voire plusieurs années, entre les évaluations.

Les ponts sont une partie importante de l'économie des gouvernements fédéral, étatiques et locaux, car ils fournissent une infrastructure essentielle. Il est également important de protéger les repères historiques tels que le Golden Gate Bridge.

_{Golden Gate Bridge, un pont emblématique aux États-Unis}

Et les conséquences d'une information insuffisante peuvent être assez graves. Par exemple, en août 2007, le pont de la rivière I-35W Mississippi s'est effondré, ce qui a fait de nombreuses victimes.

_{I-35W après l'effondrement}

Question:

• Existe-t-il des technologies qui pourraient fournir un statut en temps réel de manière à prévenir les gouvernements fédéral, étatiques et locaux des défaillances imminentes des ponts? Par exemple, y a-t-il quelque chose qui aurait pu prédire l'effondrement de l'I-35 et aviser le public afin d'éviter la perte de vies humaines? Il semble que ce capteur sans fil pour surveiller l'intégrité structurelle des ponts fonctionnerait, mais je ne suis pas certain car le domaine est en dehors de mon expérience.

Il existe de nombreux capteurs différents qui peuvent être placés sur un pont pour aider à surveiller son état . Après l'effondrement du pont I-35, cette zone a connu beaucoup de publicité . La plupart de ces capteurs étaient auparavant disponibles, mais le besoin n'était pas aussi évident pour le public.

Capteurs

• Accéléromètres
• Jauge de déformation
• Transducteurs de déplacement
• Stations de détection de niveau (moniteurs d'inclinaison)
• Anémomètres
• Capteurs de température
• Capteurs dynamiques de poids en mouvement
• Moniteurs de corrosion
• Moniteurs acoustiques de fissure
• Moniteurs de câble acoustique

Ces capteurs peuvent être câblés ou sans fil. Certains sont même alimentés par les vibrations des véhicules qui passent.

Coût

Le coût est un facteur majeur dans la considération d'un système de surveillance des ponts. Même si le coût initial semble raisonnable :

Les capteurs sont petits, sans fil, robustes et ne nécessitent pratiquement aucun entretien, dit-il. Ils devraient durer plus d'une décennie, chacun coûtant environ 20 $ . Un pont routier de taille moyenne aurait besoin d'environ 500 capteurs pour un coût total d'environ 10 000 $ .

Cela ne tient pas compte du coût de la surveillance continue des capteurs. La surveillance en temps réel coûte cher et encore moins que la surveillance en temps réel impose un drain constant sur les budgets du ministère des Transports qui sont déjà trop étirés. S'il y avait plus d'argent dans le budget, les ponts seraient en meilleur état.

Ces ponts sont déjà inspectés régulièrement par des inspecteurs formés qui grimpent sur toute la structure. Cela a été fait sur le pont I-35 et il s'est encore effondré.

Le coût et la complexité des systèmes signifient que seules quelques très grandes structures seraient entièrement surveillées. Le coût de ces systèmes est probablement supérieur au montant indiqué ci-dessus. La valeur ci-dessus est également juste le coût des capteurs individuels. Une étude complète du pont devrait être effectuée pour s'assurer que les capteurs sont placés aux endroits où ils seraient le plus utiles.

Emplacement

Chaque capteur ne mesure qu'un seul point de données. Il faudrait beaucoup de réflexion et de recherche pour déterminer quels capteurs sont les plus avantageux.

Même après la mise en place des capteurs, un critère complet devrait être en place pour que les personnes surveillant les résultats des capteurs sachent ce qui constitue un avertissement . Il peut y avoir de nombreux faux positifs et peut-être même de faux négatifs.

Comme le souligne un article :

En fin de compte, ajoute Fu, la télédétection en temps réel servira de complément précieux, mais ne remplacera pas complètement les inspections humaines. «On ne peut pas mettre de capteurs partout», dit-il.

Résultat final

Même si tous ces capteurs étaient en place sur le pont I-35 et surveillés en temps réel, l' effondrement réel s'est produit si rapidement que le trafic n'aurait pas pu être arrêté à temps. La seule différence serait qu'il y aurait eu beaucoup plus d'informations pour les enquêteurs.

Pensez à la Black Box d'un avion , mais pour un pont.

La surveillance en temps réel peut être effectuée et a déjà été effectuée. La technologie est là et comme le souligne hazzey, c'est une question de coût par rapport au risque encouru.

En tant qu'ingénieur en exercice, je participe / j'ai participé à deux projets d'excavation profonde dans deux pays différents où un tunnel à ciel ouvert est / a été construit juste sous un grand pont routier. Dans les deux cas, la fermeture ou la déviation du trafic n'est pas une option. Les autorités de construction des deux projets ont demandé une surveillance de la santé structurelle en temps réel, car les conséquences d'un incident peuvent être catastrophiques.

Dans les deux projets, une gamme de prismes optiques ainsi que des stations totales robotisées sont déployées pour surveiller les mouvements des piles de pont. Les stations totales sont connectées en réseau à un serveur où les données sont téléchargées en continu. Le serveur lui-même est connecté à Internet, où les parties concernées peuvent télécharger les données et traiter les informations. De plus, certains systèmes peuvent générer des alertes SMS en cas de violation d'un niveau prédéterminé.

Avant toute surveillance, une évaluation de l'impact / des dommages doit être effectuée pour déterminer:

• le mouvement prévu du sol (horizontal et vertical) à la fondation du pont en fonction de la méthode de construction
• le type de forces qui seront induites sur les pieux
• la capacité structurelle des pieux existants telle que déterminée à partir des dessins conformes à l'exécution
• la charge existante sur les pieux pendant le service
• la capacité de réserve des pieux
• le mouvement latéral et le tassement admissibles de la fondation du pont

Ceci est suivi d'une enquête sur l'état pour évaluer l'état de santé actuel du pont. Il comprend généralement une inspection visuelle des fissures et des mesures sur les mouvements des roulements de pont.

Les ponts en béton armé et en acier, dans des circonstances normales, ne nécessitent pas de surveillance en temps réel car ils ne se rompent pas soudainement. Les ponts qui ont été correctement conçus ont tendance à ne pas fonctionner avant de tomber en panne structurellement, donnant un avertissement suffisant avant de s'effondrer. De plus, une inspection et un entretien réguliers des ponts contribuent à garantir leur bon fonctionnement.

Avec suffisamment de données, la surveillance en temps réel peut capturer la tendance des mouvements à long terme et atténuer les erreurs de lecture. En cas de conception fatale, d'erreur humaine dans l'interprétation des enregistrements de l'enquête ou d'erreur humaine dans l'évaluation de la capacité structurelle du pont, la surveillance en temps réel ne serait pas d'une grande utilité pour éviter une catastrophe.

Une surveillance structurelle avec des capteurs est en effet possible. Les problèmes sont le coût de la surveillance et les parties qui peuvent effectivement être surveillées.

Plus un pont est critique, plus il est probable qu'il vaut la peine de payer le coût de la surveillance (la criticité étant principalement due au nombre de véhicules traversant par jour, mais aussi à la disponibilité d'itinéraires alternatifs et à la longueur de celui-ci (c'est-à-dire le nombre de véhicules qui peuvent être dessus lors de l'effondrement) jouent un rôle). Un pont majeur construit de nos jours est susceptible d'avoir une sorte de surveillance intégrée, comme indiqué dans l'article que vous avez lié, et un exemple est le Forth Replacement Crossing (maintenant appelé Queensferry Crossing). Certains ponts ont vu leur système modernisé, comme le pont Forth Road existant , qui dispose d'une surveillance acoustique pour écouter les câbles qui claquent.

Les ponts existants sont plus susceptibles d'être équipés d'une surveillance si une évaluation montre qu'il y a lieu de s'inquiéter. Si une évaluation du pont constate qu'une partie du pont se détériore, elle peut recommander des inspections plus fréquentes ou l'installation d'une surveillance. En raison du coût de la surveillance, cela ne se produira probablement que sur les principaux ponts.

Alors, la surveillance aurait-elle pu empêcher l'effondrement de l'I35-W?

Premièrement: l'I35-W, bien qu'il ne s'agisse pas d'un petit pont, n'était pas à la même échelle que le Golden Gate Bridge ou les ponts du Forth. La surveillance n'était donc susceptible d'être installée que si le pont avait été identifié comme défectueux. Et cela ne s'était pas produit parce que les inspections et évaluations de routine des ponts n'avaient pas permis de remarquer qu'une petite plaque de connexion était trop petite. Votre lien vers les capteurs semble suggérer que de nouveaux capteurs moins chers pourraient maintenant être disponibles. Je ne vois toujours pas le coût comme étant abordable étant donné le nombre limité de ponts sur lesquels chaque autorité a le contrôle, mais peut-être sur une longue période (disons 50 ans car le budget pourrait atteindre 2% des ponts d'une autorité par an - chiffres arraché complètement par moi) cela pourrait arriver.

Deuxièmement: je ne pense pas que la plupart des contrôles soient en temps réel. Bien que je sois sûr que les systèmes de surveillance ont des alarmes automatiques qui se déclenchent si un mouvement important se produit, j'ai du mal à croire que quelqu'un y réagirait particulièrement rapidement. Plus que probablement, une alarme système entraînerait que quelqu'un aille voir, peut-être le même jour peut-être pas. Les systèmes sont principalement là pour examiner les problèmes à long terme. Prenons le Forth Road Bridge comme exemple - la surveillance acoustique est là pour enregistrer le "ping" d'un claquement de toron de câble. Il y a quelques milliers de torons individuels qui composent les câbles de suspension. La surveillance acoustique est là pour que quelqu'un puisse regarder les résultats et dire "on dirait que 63 ont cassé au cours des six derniers mois, peut-être devrions-nous penser à faire quelque chose pour réduire la charge". Je ne ' Je pense qu'il est vraiment là avec l'espoir qu'il enregistrera 100 claquements en une journée, ce qui entraînera la fermeture instantanée du pont. (Le pont du Forth Road se ferme à cause du vent fort plusieurs fois par an - ils ont un système approprié en place pour le fermer).

Troisièmement: le rapport officiel sur l'effondrement suggère que l'échec a été très soudain: il y avait peut-être 10 secondes d'avertissement. Même avec une surveillance en temps réel, vous devez a) recevoir des résultats, b) déterminer qu'ils sont catastrophiquement mauvais (facile si vous avez les 100 pings dans mon exemple Forth, difficile si vous avez des accéléromètres selon votre lien, ce qui pourrait vous dire que le pont a bougé de 0,05 degré) et c) amener la police à fermer le pont. Estimation du temps total: 10 minutes si vous êtes très chanceux. Pas 10 secondes. (Et probablement plus comme 3 mois si vous configurez la surveillance des effets à long terme et que vous ne savez pas si les 0,05 degrés étaient importants ou non, car le système n'était pas configuré pour cela.)

Avis de non-responsabilité - J'ai essayé de mettre des faits et des références où je peux, mais les conclusions réelles auxquelles je suis parvenu sont largement basées sur mes opinions et ne sont pas des faits simples.