גשרים של טרוס היו חלק חיוני של תשתיות במשך מאות שנים, מתן תמיכה ברשתות תחבורה על פני נהרות, עמקים ואזורים עירוניים. כמו אתגרים הנדסיים מתפתחים, כך הטכנולוגיה המשמשת לחיזוק ושימור המבנים האלה.אחד מההתקדמות המבטיחה ביותר הוא השימוש בחומרים חכמים, אשר יכולים להתאים לתנאי סביבה ולחצים מבניים, המציעים יכולות חסרות תקדים להרחבת חיי הגשר, שיפור הבטיחות, צמצום עלויות תחזוקה אלה.

הבנת חומרים חכמים ונכסים הליבה שלהם

חומרים חכמים, הידועים גם כחומרים אינטליגנטיים או מגיבים, הם חומרים מהונדסים שיכולים לשנות אחד או יותר מהנכסים שלהם בצורה מבוקרת בתגובה לגירויים חיצוניים כגון מתח, טמפרטורה, לחות, pH, שדות חשמליים או שדות מגנטיים. בניגוד לחומרים קונבנציונליים התומכים באופן פסיבי לטעון, חומרים חכמים אינטראקציה באופן פעיל עם הסביבה שלהם, מה שהופך אותם אידיאלי עבור יישומים מבניים שבו הסתגלות עצמית ומוטיבציה עצמית הם קריטי.

קטגוריות מפתח של חומרים חכמים להנדסה מבנית

מספר שיעורים של חומרים חכמים נחקרו לשימוש בחיזוק הגשר של הtruss.כל סוג מציע מנגנונים ייחודיים לשיפור ביצועים מבניים.

  • (FLT:0)Shape Memory Alloys (SMAs)cioFLT:1 ⁇ מתכתי אלה, כגון Nitinol (ניקל-טיtanium), יכול לשחזר את הצורה המקורית שלהם לאחר עיוות כאשר מחומם מעל טמפרטורה מסוימת של טרנספורמציה.בגשרים הדרים, SMAs ניתן להשתמש כמו pre-stressedons או אלמנטים מתפתלים כי להתאים מתח בתגובה לעומס תרמי או ביעילות, התפלגות מתחים, ביעילות, ומתחים ממתחים ממתחים.
  • (FLT:0) חומרים מזינים חשמליים (FLT:1) - חומרים אלה מייצרים מטען חשמלי כאשר נתון ללחץ מכני, ובאופן כללי, הם מתפורים כאשר שדה חשמלי מוחל.הם בשימוש נרחב עבור קצירת אנרגיה, רטט לחות, וכחיישנים עבור ניטור בריאות מבני.בגשרים, כתמים אדזואלקטריים ניתן להתחבר לשותפים קריטיים כדי לזהות סדקים או לכווץ בזמן אמת.
  • (FLT:0 Magnetorheological (MR) פלואידים ו-ElastomersFLT:1 - MR נוזלים מכילים חלקיקים בגודל מיקרון בגודל של ברזל מושעה בנוזל נושא.כאשר נחשפים לשדה מגנטי, החלקיקים מתאימים, להגדיל באופן דרמטי את הסטיות של נוזל ואת הנוקשות. ... [+] משככי כאבים יכולים להשתלב לתוך גשרים כדי לספק לחות במהלך אירועים סיסמיים או להפחית את התדרים כבדים, ולמנוע נזקי תנועה כבדה.
  • (FLT:0) , Healing CompositessveFLT:1) - חומרים אלה משלבים מיקרו-capsules מלא סוכני ריפוי (למשל, epoxy resins) או רשת פולשנית שמשחררת חומר תיקון כאשר נזק סדקים. Upon, כמוסות rupture, ואת הסוכן הריפוי זורם לתוך סדק, פולימרים ומשחזרת את השלמות המכנית הזו היא מבטיחה במיוחד עבור גשרים קשים.
  • (FLT:0) Electrochromic ו- Thermochromic MaterialsFLT ( 1:1) - בעוד פחות נפוץ עבור חיזוק מבני, חומרים אלה לשנות צבע או תכונות אופטיות בתגובה למתח או טמפרטורה, בהתאמה. הם יכולים לשמש עבור ציפויים משטח המעידים על חימום יתר או ריכוז באמצעות שינויים צבע, לשמש כמערכת התראה מוקדמת.

כמה חומרים חכמים מתפוגגים מ- Conventional Reinforcements

שיטות חיזוק מסורתיות לגשר, כגון הוספת צלחות פלדה, כבלים לאחר לחץ דם, או סיבים פחמן חיצוניים עטיפות, הם פסיביים - הם מספקים רמה קבועה של כוח ונוקשות. לעומת זאת, חומרים חכמים מאפשרים חיזוק פעיל והתאמה. לדוגמה, חזייה מבוססת SMA יכול להגדיל את הנוקשות שלה במהלך רעידת אדמה כדי להגביל את העיוות, ואז לחזור למצב המקורי שלה לאחר מכן תגובה עצמית יכול להקפיא את התקני התחזוקה באופן אוטומטי, למנוע מחזורי מתכת.

יישומים של חומרים חכמים ב Truss Bridge Reinforcement

השילוב של חומרים חכמים לתוך גשרים הדרים מתרחש ברמות מרובות: החל חיזוק משותף מקומי ניטור בריאות מבני גלובלית ובקרת הסתגלות. להלן הם אזורי היישום העיקריים, כל אחד נתמך על ידי מחקרים אחרונים ופרויקטים טייסים.

כוח הסתגלות ועומס חלוקה מחדש

אחד היישומים הישירים ביותר של חומרים חכמים הוא השימוש של ⁇ זיכרון צורה כדי ליצור אלמנטים מבניים עצמיים מאמת עצמי.גשר הדר, חזיות דיגונליות וחברי מתח הם קריטיים להעברת עומסים. על ידי שילוב מוטות SMA או כבלים, מהנדסים יכולים לעצב חברים כי באופן אוטומטי הידוק כאשר הטמפרטורה עולה (למשל, תחת השמש) או כאשר עומסים, שמירה על רמות אופטימליות יותר מאשר קיבולת SMAs יכול להיות מופחתת על עיצובים.

משככי כאבים Piezoelectric מוטבע בלוחות גואזות יכול גם לספק התאמות בזמן אמת. על ידי יישום מתח קטן, אלה פועלים יכולים ליצור כוחות נגד כי לנטרל רגעים מתפרקים קריטיים, ביעילות "עיצוב" התגובה המבנית לעומס חי.זה בקרה פעילה היא מועילה במיוחד עבור גשרים של truss כי לא תוכנן במקור עבור כרכים מודרניים.

גילוי נזקים ו ניטור בריאותי סטריקט

חומרים חכמים המאפשרים ניטור רציף, in-situ. Piezoelectric חיישנים (נקרא לעתים קרובות "מצטברים חכמים") יכול להיות מוטבע בטון או מחובר לאנשי פלדה. כאשר גל מתח עובר דרך המבנה בשל סדק או השפעה, החיישן יוצר אות מתח כי מגלה את המיקום ואת חומרת הנזק.טכניקה זו, המכונה ניטור אלקטרו-מכאי (EMI) נבדק בהצלחה על גבי רחץ משוחרר, שבו הם יכולים להיות מחוספסים או מחוספסים לפני שגלו.

חיישני אופטיים סיבים, אם כי לא רק "חומרים חכמים" במובן ההסתגלוי, הם לעתים קרובות משולבים עם מערכות חומר חכמות.לדוגמה, סיבים Braggating (FBG) חיישן מוטבע לאורך מוטה SMA יכול למדוד וטמפרטורה בו זמנית, מתן נתונים המודיעים את סף ההפעלה של SMA. כאשר משולב עם מערכת בקרה, הגשר יכול להתאים באופן אוטונומי את חיזוק המדינה בתגובה לתופעות זיהוי.

השתקפות עצמית של סדקים שומניים וקורוזיון

סדקים שומניים הם מצב הכישלון הנפוץ ביותר בגשרים של פלדה, במיוחד בפרטים שנטבעו וקשרים מפוצצים. שיטות תיקון מסורתיות כרוכות בתרגול חורים, גירוד, או יישום לוחות פלדה - כל עובד-חושי ודורש סגירת תנועה.עצמית מחזורים מורכבים מציעים חלופה: מיקרו-קפולות מלאות סוכן ריפוי דלת-אווירה יכול להיות מוטבעת לתוך קפסולת חומרת, כאשר יש צורך בציפוי-מחץ על פני השטח של חומר ניקוי.

עבור הדרוזים קונקרטיים (עיצובים מודרניים או prestressed), שילוב עצמי של חיידקים המשלבים חיידקים כי precipitate סידן פחמןate (bio-concrete) יכול לסתום סדקים עד 0.8 מ"מ רחב. גישה ביולוגית זו היא לחות-activated ואינו דורש התערבות חיצונית, מה שהופך אותו אידיאלי עבור מבני תת-מכת או קשים ל-reach.

« הגנה עצמית והגנת סיסמית

גשרים טרודים רגישים לרטטים מן הרוח, התנועה, רעידות אדמה. מגנטואורגי (MR) לחצנים שהותקנו בחבילות של הסיפון-to-truss או ב-Abutments מספקים כוחות לחות שניתן לשלוט בהם על ידי התאמת השדה המגנטי המבוסס על נתוני האצה בזמן אמת, הרי שה-MR יכול לעבור מכדי מצב נוקשה כמעט מיידי, תוך ספוג אנרגיה במהלך אירוע של שיתוק נמוך של תרופות ממושכות על פני כדור הארץ, אשר מגובה ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי כמה זמן קצר על פני כדור הארץ, לאחר מכן, אשר ממרחק של כמה בדיקות מרידות, אשר מגובהודות, לאחר מכן, ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ⁇ ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ב-ידי ⁇ ⁇ ב-ידי ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Shape memory alloys גם להציג תכונות לחות מצוינות בשל לולאה היסטריה שלהם במהלך טרנספורמציה שלב. כאשר בשימוש במנשאות בידוד או כמו חוטים לחיקת תוספת, SMAs יכול לנתק אנרגיה ללא צורך כוח חיצוני, המציע פתרון בטוח לא בטוח להגנה סיסמית.

מחקרים ומחקר

בעוד אימוץ מסחרי נרחב עדיין מתפתח, מספר פרויקטים בולטים ומחקרים אקדמיים אישרו את יעילותם של חומרים חכמים בחיזוק הגשר.

שם הסרטון:0.10.10.10.10.17

בשנת 2015, המינהל כביש מהיר של FLT:0 (Federal Highway AdministrationFreaLT:1) קידם פרויקט טייס על גשר פלדה היסטורי ב-Leo. מהנדסים רטרוfed חברים קריטיים עם Nitinol SMA מוטות לפני 8%.המכרסמים היו מעוגן גם במקומות משותפים וגם אפשרו לחוזה כאשר טמפרטורות גבוהות יותר מ-35 מעלות צלזיוס, ביעילות לאחר לחץ על פני שישה חיישנים מבוימים בהצלחה על ידי ⁇ , 000 שנים, 000 שנים, 000 שנים, 000 , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יישום עצמי של Composite על גשר טרוס רכבת (גרמניה)

חוקרים מאוניברסיטת מינכן הטכנית פיתחו ציפוי עצמי של מפרקים הנחשקים של גשר truss רכבת בן המאה בוואריה, הציפוי הכיל מיקרו-capsules (50–100 מיקרומטר) מלא עם שני חלקים epoxy.לאחר יישום, הציפוי נבדק עם עומסי חומצה מבוקרים, אשר נוצרו ברצועה היו חתומות בתוך 72 שעות, ואין צורך לעקוב אחרי שישה חודשים של תחבורה:0.

MR Fluid Dampers for Seismic Retrofitting (California)

לאחר רעידת האדמה הצפונית של 1994, גשרים רבים של פלדה בקליפורניה היו נסוגו עם לחות בולט קונבנציונליים.ב-2019 המחלקה של קליפורניה של תחבורה (ראה FLT:0CaltranscioFLT:1) מותקנים אבטיפוס MR לחיכים על גשר באורך שלוש אורכו של אורכו של שלוש מהירויות על פני אינטר סטייט 5.הלחים מחוברים מיקרובקר המופעל על ידי השמש, אשר מתואמים את עוצמת השדה המגנטית על בסיס סנטימטר ארוך של פחמן נמוך יותר מ סנטימטר ב סנטימטר נמוך יותר מאשר ב סנטימטר קצר לאחר מכן, לעומת טמפרטורות גבוהות של MR.

Piezoelectric אנרגיה קציר עבור רשתות חיישן אלחוטי

ניטור גשרים הדרים גדולים דורש רשת של חיישנים אשר באופן מסורתי להסתמך על סוללות או חשמל חוט, שניהם גשרים תחזוקה-רגישים. קבוצה מחקר באוניברסיטת מרילנד מוטבעת מחסנים אדזואלקטריים ב אקורדים של גשר הולכי רגל.המסיקאים להמיר תנודות מכניות מתנועה לאנרגיה חשמלית, לאחסן אותו ב supercapacitors כי כוח מחוונים אלחוטיים וטמפרטורות גבוהות יותר עבור כל רמה גבוהה יותר של עד 5 דקות של אנרגיה.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה, יש להתגבר על כמה מכשולים טכניים וכלכליים לפני חומרים חכמים להפוך לשגרה בחיזוק גשר הדר.

עלויות ו Scalability

סגסוגת זיכרון צורה, במיוחד ניטינינול, יקרים לייצר ולמכונה.עלויות הנוכחיות נעות בין 100 ל-500 דולר לקילוגרם, אשר אוסר על פריסה בקנה מידה גדול. בדומה, מר לחות נוזליים דורשים תנומות מתוחכמות ואספקת חשמל, הגדלת הוצאות ההון הראשוניות.עם זאת, כמו התקדמות מחקר ותהליכי ייצור לשפר, עלויות צפויים לרדת.

תנאי ארוך ושומן של חומרים חכמים

החיים התפעוליים של חומרים חכמים בסביבות גשר קשים לא מאופיינת באופן מלא.לדוגמה, שינויים חוזרים ב- SMAs יכולים לגרום עייפות תרמית, צמצום התאוששות זן מעל אלפי מחזורים. MR נוזלים עלולים להתפוגג לאורך זמן בשל משקעים חלקיקים או חמצון.

שילוב עם מבנים קיימים וסטנדרטים

החלת גשר קיים עם חומרים חכמים לעתים קרובות דורש פרטים מיוחדים חיבור, הוראות גישה, תאימות עם מערכות הגנה קיימות של קורוזיה הגנה.אין כיום קודים בנייה מאוחדת לשימוש בחומר חכם בחיזוק הגשר. מעצבים חייבים להסתמך על ניירות מחקר, הנחיות היצרן, ושיפוטי הנדסה פיזור, אשר מאטים אימוץ ארגוני מקצועי כגון AASH (אגודת הכבישים והפעילות הרשמית של המדינה) עדיין ממלצים, אך עדיין משיטות פורמליות.

מערכת ניהול ובקרה

מערכות חומר חכמות Active Smart (piezoelectric Actuators, MR moisters, SMA חימום) דורש מקור חשמל אמין ולשלוט אלקטרוניקה. במקומות מרוחקים של גשר, כוח רשת לא יכול להיות זמין, הדורש לוחות סולאריים, בנקים סוללה או קציר אנרגיה. מערכות בקרה חייב לעמוד גם בטמפרטורות קיצוניות, לחות, והתערבות אלקטרומגנטית. A כשל באלגוריתם הבקרה - כגון הפעלה לא נכונה - עלול להוביל לפירוק בלתי מתואם, במיוחד עבור מסלולים חיוניים עבור ניקוי, במיוחד.

אפשרויות לעתיד ומגמות מתפתחות

העשור הבא כנראה יראה התקדמות משמעותית בביצוע חומרים חכמים מעשי עבור הנדסת גשר הזרם המרכזי. מגמות מספריות מתכוונות להאיץ את השינוי הזה.

שילוב עם תאומים דיגיטליים ו-AI

השילוב של חיישנים חומריים חכמים עם טכנולוגיה גנטית דיגיטלית מאפשר למהנדסים ליצור העתק וירטואלי בזמן אמת של הגשר.מכונות למידה אלגוריתמים יכולים לנתח נתוני חיישן כדי לחזות צמיחה סדקים, אופטימיזציה של לוח הזמנים של הפעלה SMA, ולזהות תנודות חד-משמעיות שמסמן כישלון מתמשך.לדוגמה, תאום דיגיטלי של גשר trus מצויד בחיישנים אדזואלקטריים יכול לדמות אסטרטגיות חיזוק שונות תחת תרחישי עומס שונים, המאפשרים תחזוקה אקטיבית זה יכול להאריך את הגישה של 150% עד כדי להפחית את הגישה.

חומרים חכמים Multi-Functional

מחקר מתמקד בחומרים המשלבים חישה, הפעלה, וזיהוי עצמי בפלטפורמה אחת.לדוגמה, פולימר מורכב מוטבע עם צינורות פחמן (להתנהגות חשמלית) ומיקרו-קלוטות (לריפוי) יכול לפעול כמו חיישן זן ומערכת תיקון סדק בו-זמנית. כאשר סדקים, השינויים בהתנגדות חשמלית, שינוי מיקום החשיפה; בו-זמנית, קפסולות וריפוי של חומרי בניין נפרדים.

חומרים בר קיימא ו-Bio-inspired

הדגשה הגוברת על קיימות היא נהיגה בפיתוח של חומרים חכמים ממקורות מתחדשים או מיחזור.ביו-קונקטר באמצעות חיידקים עבור השמה עצמית היא דוגמה אחת. החוקרים גם חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים בוחנים פולימרים בצורת צמחיים שניתן להפעיל על ידי לחות ולא חום, צמצום דרישות האנרגיה.חומרים אלה תואמים את מטרות תשתיות ירוקות ויכולים לעזור לגשר על מטרות הפחתת פחמן.

סטנדרט וחינוך

בעוד פרויקטים של טייס לצבור נתונים, ארגונים מקצועיים יאחדו את השיטות הטובות ביותר.AASHTO ואת האגודה הבינלאומית ל Bridge והנדסת סטריקטל (IABSE) יצרו קבוצות משימה על מבנים אדפטיים ואינטליגנטיים.לאחר שהנחיות עיצוב סטנדרטיות מפורסמות, מחלקות המדינה של תחבורה יהיו מוכנות יותר לאשר רטרוטיבים חומריים חכמים. במקביל, תוכניות הנדסה אזרחית מתחילות לכלול חומרים חכמים, להבטיח כי הדור הבא של מהנדסים ויישומים שלהם הם עקרונות שוטפתים.

"חומרים חכמים מייצגים שינוי פרדיגמה מ"Build and Fix" ל"עיצוב, היגיון והסתגלות" לגשרים של הדרים – אשר לעתים קרובות פועלים היטב מעבר לגלגולי העיצוב המקוריים שלהם – השינוי הזה אינו רק מועיל; חיוני לשמירה על רשת תחבורה גמישה." ~ ד"ר אלנה סמית', קבוצת מחקר מבנים חכמים, אוניברסיטת אילינוי באורבנה-צ'מבלי.

מסקנה

השימוש בחומרים חכמים בחיזוק הגשרים של הגשר מהווה התקדמות משמעותית בהנדסה אזרחית.היכולת שלהם להסתגל, לזהות ולתקן הופכת אותם למורכבים לשמירה על הבטיחות והעמידות של תשתיות חיוניות.מסגסוגת זיכרון צורה שעצימות עצמית לחיישנים אדזואלקטריים שמפקחים על משככי לחץ דם, חומרים אלה מציעים גם חבילת יכולות שחיזוקים פסיביים לא יכולים להתאים בעוד אתגרים הקשורים לעלויות, עמידות, וסטנדרטיות, כדי להמשיך את הטכנולוגיה הדיגיטלית ולפתח את התקינה יותר, אך ורק את התקינה של חומרים חדשים, אך ורק כדי להמשיך את האפקטיביות גבוהה יותר, אך ורק כדי להמשיך את הפיתוחים של חומרים מתקדמים יותר, אך ורק כדי להבטיח את התקני בקרה דיגיטלית, אך ורק כדי להבטיח את האפקטיביות שלהם.