Valvottavaan rakenteeseen kiinnitetään älykkäitä antureita, jotka tekevät mittaavat rakenteen liikettä. Esikäsitelty mittausdata siirtyy automaattisesti langattoman radioyhteyden kautta tietokoneeseen, joka analysoi mittaustuloksia. Tarkoitus on havaita rakenteessa olevien vaurioiden olemassaolo, sijainti, suuruus ja vakavuus. Datan avulla voi myös pyrkiä ennustamaan rakenteen jäljellä olevaa elinikää.
Romahtaako silta maanjäristyksessä?
Kunnonvalvontaa tarvitaan eniten sellaisissa kohteissa, jotka ovat tärkeitä infrastruktuurin kannalta tai joiden turvallisuus on erityisen oleellista. Silmällä kannattaa pitää myös muita arvokkaita rakennelmia, kuten historiallisia monumentteja. Kattavalla valvonnalla voidaan säästää sekä ihmishenkiä että korjauskustannuksia.
– Järkeviä sovelluskohteita on laidasta laitaan: sillat, pilvenpiirtäjät, ydinvoimaloiden putkistot, tuulivoimalat, nostokurjet, avaruusalukset, laivat, huvipuistolaitteet, järjestelmää rakentavaa ISMO-projektia vetävä Jyrki Kullaa luettelee.
Rakennusten kuntoa on tärkeää tarkkailla erityisesti luonnonkatastrofeista kärsivillä alueilla. Säännöllisten tarkastusten lisäksi järjestelmä pystyy valvomaan kuntoa tarvittaessa jopa reaaliaikaisesti.
– Esimerkiksi maanjäristyksen aikana voidaan vahtia, onko rakennus tai silta vaarassa sortua. Näin tuhot voidaan minimoida, kun evakuointiin tai muihin varotoimiin osataan ryhtyä ajoissa, Kullaa kertoo.
Värähtelyn muutos paljastaa vaurion
Rakenteen kunnon valvonta voi perustua toistuviin värähtelymittauksiin, jolloin mittauksia tehdään eri ajankohtina ja verrataan, ovatko tulokset muuttuneet antureiden asentamisen jälkeen. Esimerkiksi rakenteen värähtelytaajuuden pieneneminen viestii rakenteen vaurioitumisesta ja jäykkyyden pienenemisestä. Muut värähtelyyn vaikuttavat seikat, kuten lämpötila ja kosteus, osataan eliminoida datasta. Projektissa on löydetty muitakin tunnuslukuja vaurion havaitsemiseksi.
– Kaikki rakenteet värähtelevät erilaisilla taajuuksilla. Voisi sanoa, että niillä on oma taajuussormenjälkensä. Esimerkiksi puinen pöytä värähtelee eri tavalla kuin metallinen kitaran kieli, Kullaa selittää.
Rakenteen värähtely on nopea ilmiö. Sen havainnoimiseksi järjestelmän anturien on kyettävä tekemään jopa 1000 mittausta sekunnissa, mikä asettaa haasteita langattomille järjestelmille. Mittaukset on myös synkronoitu tarkasti: anturit toimivat täsmälleen samanaikaisesti, korkeintaan viiden millisekunnin erolla.
Antureiden määrä vaikuttaa siihen, kuinka monipuolista mittausdataa rakenteesta saadaan. Periaatteessa yksikin anturi voi riittää vaurion havaitsemiseen, mutta niitä on langattomuuden ansiosta helppo sijoittaa rakenteeseen useampia. Järjestelmä paikallistaa vauriot lähimpään anturiin, joten vaurion sijainnin saa selville sitä tarkemmin, mitä tiheämpään anturit on asennettu.
Esimerkiksi Hong Kongissa sijaitsevia peräkkäisiä Tsing Ma, Ting Kau ja Kap Shui Mun -siltoja valvoo yhteensä 900 anturin armada.
Haasteena järjestelmän myyminen
– Miten sillan omistaja motivoituu investoimaan järjestelmään, jos silta luultavasti alkaa hajota vasta vuosikymmenten käytön jälkeen? Valvontavälineet otetaan usein käyttöön vasta viranomaisten määräyksestä tai jälkiviisaana, kun jotain ikävää on jo tapahtunut. Tekniikalla on tapana edistyä juuri onnettomuuksien kautta, Kullaa selittää.
Järjestelmän kustannukset koostuvat alkuinvestoinnista, asennuksesta ja ylläpidosta. Huollosta on pyritty tekemään mahdollisimman vaivatonta: järjestelmä kykenee ilmoittamaan itse, jos joku antureista on mennyt rikki. Antureista on myös pyritty tekemään mahdollisimman energiatehokkaita.
Järjestelmä levinnee laajempaan käyttöön sitten, kun se tulee esimerkiksi manuaalisia kuntotarkastuksia edullisemmaksi.
Teksti ja kuva: Anni Aarinen. Kuvassa anturit keräävät dataa kävelysillan seinistä järjestelmän jatkokehitystä varten.
****
ISMO-projekti
Järjestelmää kehitetään ISMO-projektissa. Sen taustalla on Aalto-yliopiston digitalisoitumisen ja energiateknologian tutkimusohjelma MIDE (Multidisciplinary Institute of Digitalisation and Energy). Ohjelmassa toteutetaan pitkän aikavälin hankkeita, joiden tavoitteena on huipputason osaamisen luominen, opetuksen vahvistaminen ja suomalaisen elinkeinoelämän kilpailukyvyn lisääminen. Mukana on yhteensä 11 projektia, joiden tutkimusalueet liikkuvat aina nanonupuista ja LED-valojen hyödyistä virtuaalimaailmojen käyttöön yhteistyön välineenä.
Langaton mittaus yleistyy nopeasti
Mittausantureiden ja tietokoneen välinen datan siirto on tekniikkana jo yleinen, ja sen käyttö lisääntyy nopeasti.
Tutkijoiden kehittämä järjestelmä soveltuisi periaatteeltaan muuhunkin kuin rakennetun ympäristön valvomiseen. Monitorointia voisi soveltaa vaikkapa terveydenhuoltoon: Se voisi mitata ihmiskehosta eri tunnuslukuja, vaikkapa sydämen sykettä tai veriarvoja, ja näin tarkkailla potilaan terveydentilaa.