Les capteurs sans fil ouvrent de nouvelles possibilités pour la surveillance des ponts

Des chercheurs du College of Engineering de l'Université de Drexel ont mis au point un système de capteur sans fil à énergie solaire qui peut surveiller en permanence la déformation du pont et pourrait être utilisé pour alerter les autorités lorsque les performances du pont se détériorent de manière significative. Avec plus de 46 000 ponts à travers le pays considérés comme en mauvais état, selon l'American Society of Civil Engineers, un système comme celui-ci pourrait être à la fois une mesure de sécurité importante et aider à trier les efforts de réparation et d'entretien.

Le système, qui mesure la déformation du pont et fonctionne en continu sur l'énergie photovoltaïque, a été dévoilé dans une récente édition du IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics dans un article rédigé par les chercheurs du Drexel College of Engineering, Ivan Bartoli, PhD, Mustafa Furkan , PhD, Fei Lu, PhD, et Yao Wang, doctorante au Collège.

"Avec autant d'infrastructures vieillissantes qu'aux États-Unis, nous avons besoin d'un moyen de surveiller de près ces actifs critiques 24 heures sur 24, 7 jours sur 7", a déclaré Bartoli, qui dirige l'Intelligent Infrastructure Alliance au College of Engineering. "Il s'agit d'un besoin urgent, non seulement pour prévenir des défaillances calamiteuses et souvent tragiques, mais pour comprendre quels ponts doivent être prioritaires pour l'entretien et le remplacement, afin que nous puissions aborder efficacement et durablement la préservation et l'amélioration de nos infrastructures."

Plus de 40 % des 617 000 ponts américains ont plus de 50 ans. Bien qu'ils soient construits pour durer, ils doivent également être inspectés régulièrement – ​​tous les deux ans, selon Bartoli, qui est professeur au Département de génie civil, architectural et environnemental du Collège. La pratique actuelle consiste à faire une inspection visuelle et, dans de rares cas, à ne surveiller que les ponts jugés "ouvrages problématiques", a-t-il précisé.

Mais le nombre de ponts qui nécessitent une attention croissante, selon le "Report Card for America's infrastructure" de l'ASCE. Un système comme celui de Drexel pourrait aider les agences fédérales et les inspecteurs à relever le défi et à réduire le besoin global d'inspections à mesure que de nouveaux ponts sont construits.

Leur capteur de déplacement sans fil se compose d'une cellule solaire photovoltaïque, d'un dispositif de mesure de déformation - appelé potentiomètre de déplacement - et d'un émetteur-récepteur d'interface de surveillance. Tous les trois sont montés sur le pont pour prendre des mesures continues de sa déformation au fur et à mesure que le trafic le traverse et transmettre ces informations à une station de surveillance à distance.

Le potentiomètre de déplacement est un petit appareil robuste et léger qui se monte sur la poutre du pont. Il mesure le déplacement ou le mouvement de la poutre, car le pont se déforme temporairement lorsque des véhicules le traversent. Des changements dans ce modèle de déformation peuvent être un indicateur précoce de problèmes structurels.

Étant donné que le système est alimenté par une cellule solaire et une batterie de secours, plusieurs potentiomètres peuvent être montés sur le pont sans câblage. Le système peut accueillir un certain nombre de capteurs différents qui surveillent les mouvements du pont, tels que l'accélération, l'inclinaison et le déplacement, entre autres. L'intégration de plusieurs types de capteurs dans le système pourrait fournir une image plus complète de la santé du pont.

"Le principal avantage de ce système est de supprimer des centaines, voire des milliers de mètres de câbles qui coûtent cher, peuvent être endommagés, nécessitent des soins lors de l'installation et augmentent le coût global du système de détection", a déclaré Bartoli. "L'autre avantage est qu'avec une plate-forme sans fil, nous pourrions lire simultanément de nombreux types de capteurs différents, pas seulement des déplacements mais aussi des accéléromètres, des inclinomètres et des jauges de contrainte."

Une équipe d'ingénieurs électriciens du département de génie électrique et informatique de Drexel a conçu l'alimentation électrique du système et l'a optimisée pour l'endurance et la durabilité dans tous les climats. Il comprend une cellule photovoltaïque de 10 watts de 21,8 x 35 centimètres et une batterie lithium-ion de grande capacité de 14,8 volts pour stocker et distribuer l'énergie qu'elle collecte. Ils l'ont testé dans un laboratoire et à l'extérieur au milieu de l'hiver en Pennsylvanie, pour s'assurer qu'il pouvait continuer à fournir de l'énergie dans les conditions météorologiques les plus difficiles.

"Nous voulons nous assurer que les capteurs peuvent continuellement prendre des mesures et transmettre des données tout au long de la journée, nous avons donc utilisé une batterie de grande capacité afin qu'elle puisse alimenter le système pendant la nuit ou s'il fait nuageux pendant de longues périodes", a déclaré Wang , qui a dirigé le développement du système électrique. "Cette configuration devrait fournir une alimentation ininterrompue pendant des années et la batterie peut fournir de l'énergie pendant trois semaines si le temps est nuageux ou si la cellule solaire a été désactivée."

L'équipe espère que prouver qu'un réseau de capteurs abordable et facile à installer est suffisamment robuste pour résister aux éléments avec peu ou pas d'entretien pendant des années permettra une surveillance continue de nombreux ponts, pas seulement ceux en mauvais état. Ce niveau de collecte de données aidera à déterminer quel est le comportement structurel "normal" de chaque pont et à déclencher une alerte lorsque ce comportement change de manière inattendue.

"L'objectif est que le capteur dure indéfiniment avec un entretien minimal, voire nul", a déclaré Bartoli. "Une surveillance fiable et continue garantit que ces structures fonctionnent comme prévu. Cela nous permet de capturer des données sur les surcharges et la déformation structurelle causées par des charges importantes sur un pont. Cela nous permet également de voir comment la structure se déforme en raison de facteurs environnementaux, tels que les changements de vent et de température, afin que nous puissions nous assurer que toutes ces déformations se situent dans la plage attendue.

Alors que le système est actuellement prêt à être déployé, l'équipe prévoit de continuer à le tester et à l'affiner en laboratoire en ajoutant des types de capteurs supplémentaires et en s'efforçant de déterminer la durée de vie complète de l'alimentation.

Cette recherche a été financée par la Federal Highway Administration - Accelerating Market Readiness (AMR).

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