Broar med koll på läget

– Broarna kan själva berätta om när de behöver underhållas, säger Raid Karoumi, professor på avdelningen för bro- och stålbyggnad vid KTH.

Den här dagen är han ute och inspekterar Lidingöbron inför ett kommande forskningsprojekt. Bron har allvarliga problem med bland annat rost och vibrationer. Om några år måste den ersättas av en ny.
Men det är en stor investering och därför kommer sensorer att placeras på den för att hålla koll på brons hälsotillstånd i realtid.

– Bron skulle ha ersatts någon gång vid 2020, men nu när vi har så bra koll på den kanske vi kan låta den stå kvar ytterligare i tio år, förklarar Raid Karoumi.
Sensorerna skickar hela tiden information om hur bron beter sig när den utsätts för vibrationer från trafiken, vindstötar och temperaturväxlingar.

– Precis som en läkare sätter stetoskopet mot bröstet när han ska lyssna på hjärtslagen och hjärtfrekvensen sätter vi sensorerna där vi vill övervaka hälsotillståndet för bron.
Informationen från sensorerna kan jämföras med hjärtslag som omvandlas till hjärtkurvor. Om det blir avvikelser på kurvorna är det ett tecken på att något har börjat hända.

På så sätt går det att upptäcka avvikelser i ett tidigt skede. Till exempel kan man med den här tekniken upptäcka sprickor innan vi människor kan se dem med blotta ögat. Då kan man också relativt enkelt åtgärda problemen.

Men sensorerna ersätter inte helt och hållet de vanliga inspektionerna.
– Naturligtvis åker man ändå ut och tittar. Men den här tekniken blir en hjälp för att avgöra när och var en inspektion behöver göras samt ger även värdefull information till de som utför dem. Det är kostsamt att stänga av trafiken så det är bra om inspektionerna görs när det verkligen behövs.

Sensorerna drivs antingen med elkablar eller med batterier. Tanken är att de sladdlösa sensorerna ska kunna laddas upp med den energi som uppstår av svängningarna när bron vibrerar.

– Förra året testade vi tekniken på en järnvägsbro i Södertälje. Det finns olika varianter av energiuppsamlingssystem. Även radiovågor kan omvandlas till energi och det här ska vi testa på Lidingöbron i samarbete med Uppsala universitet.

Förutom på Lidingöbron finns nu även sensorer på till exempel Årstabron och Götaälvsbron i Göteborg.
På Essingebron, som har problem med sprickbildningar, placeras snart sensorer kring och på sprickorna, en del direkt på armeringen inne i betongen. Dessa skickar information 400 gånger per sekund.

– Förändringarna i broarna följer ett långsamt förlopp. Med så många mätningar per sekund vill vi se om sprickorna följer temperaturvariationen eller om vi har en spricktillväxt som påverkas av de dynamiska stötar som kommer från trafiken. Därför är det här ett jättebra sätt att hålla koll på vad som händer, menar Raid Karoumi.

Men det är inte bara gamla broar som övervakas – även nya kan utrustas med sensorer. Svinesundsbron mellan Sverige och Norge instrumenterades av KTH Brobyggnad med 72 sensorer när den stod klar 2005.

Under tio års tid, ända fram till 2015, gjordes mätningar på den. Och KTH producerade forskning och examensarbeten baserade på mätningarna.
– När det gäller nybyggda broar vill man kolla hur de beter sig, och man vill få bekräftat att de beräkningsmodeller som används för dimensioneringen stämmer.

– Vi dimensionerar våra broar för 120 års livslängd och vi vill kunna använda mätningarna som ett slags ”fotavtryck”, för att långt senare kunna jämföra mot dem.
Svinesundsbron har en mycket speciell och unik konstruktion, med bland annat en enda betongbåge som bär upp hela trafiklasten, och då ville man se hur det fungerade.

Det blir en enorm mängd data som skickas från sensorerna. För att kunna bearbeta den utvecklar KTH Brobyggnad algoritmer där man med hjälp av Artificiell intelligens, AI, lättare kan hantera den stora informationsmängden. Forskare försöker hitta små förändringar i signalen som kan tyda på skador.

– På så sätt får vi reda på om och när något har hänt, vad som har hänt, hur allvarligt det är och inom vilken tidsram problemen måste åtgärdas, säger Raid Karoumi.
I framtiden kan AI-utrustningen byggas in i själva bron. På så sätt kan bron själv larma till en molnbaserad tjänst på Internet om något behöver åtgärdas.

Personer som arbetar med att övervaka och underhålla bron får informationen till sina mobiltelefoner eller surfplattor.
Det är Trafikverket som är ansvarigt för de cirka 20 000 broar som finns i Sverige.

Hösten 2014 var Raid Karoumi med och gjorde den nya Årstabron till världens första twittrande bro. Sladdlösa sensorer skickade information 50 gånger per sekund till en molnbaserad tjänst på internet och resultatet presenterades också kontinuerligt i en app.
– På så sätt kunde vi skapa ett twitterkonto där bron kommunicerade ut vad som hände på den.

Allmänheten fick reda på hur många tåg som passerade och hur mycket bron svängde. Det är intressant att läsa, särskilt när man själv kanske åker på den dagligen.
– Men Trafikverket tyckte att den här typen av information kunde vara känslig från säkerhetssynpunkt så vi fick släcka ner kontot våren 2015, berättar Raid Karoumi.

Så broarna skulle kunna twittra till förvaltarna om sin hälsostatus: ”Kom och laga mig”.
– Ja, men där är vi inte riktigt än. Fortfarande är det människor som analyserar informationen från sensorerna. Men i framtiden kan AI:n finnas i själva broarna. Med hjälp av Internet of Things kan informationen sedan skickas till den molnbaserade tjänsten.
– För att komma dit återstår en hel del utvecklingsarbete, och vi arbetar tvärdisciplinärt tillsammans med forskargrupper på Uppsala universitet, SICS och CNet. Vårt mål är att utveckla tekniken för att förlänga livslängden på våra broar.
 

Text Ann-Katrin Öhman

Foto Håkan Lindgren

KTH Magazine 07 OKTOBER, 2016