Um grupo de matemáticos da Clarkson University e um engenheiro civil desenvolveram uma abordagem passiva e não invasiva para "ouvir" uma coleção de sinais relevantes de pontes e outras estruturas mecânicas para diagnosticar alterações ou danos.

Como o grupo relata esta semana em Caos , sua abordagem envolve a instalação de sensores de acelerômetro em vários locais ao longo de uma ponte para medir como cada pequena parte da ponte é perturbada em resposta a um caminhão que atravessa.

"Os sinais dos sensores próximos ao carregamento do caminhão são relevantes, mas os sinais também estão distantes porque eles reagem quando a estrutura da ponte flexiona sob sua carga e toda a estrutura oscila como uma corda de violão, mas obviamente mais complicado, "disse Erik M. Bollt, um professor W. Jon Harrington no Departamento de Matemática da Clarkson University, localizado em Potsdam, NOVA IORQUE.

As acelerações servem como "uma mídia para ouvir as forças e acelerações que viajam pela estrutura, "Bollt disse." Espera-se que os sinais que viajam pela estrutura mudem se a ponte sofrer uma mudança, como uma rachadura dentro da estrutura ou se alguns dos parafusos que a prendem são soltos deliberadamente. "

Uma parte central da análise do grupo é uma técnica de processamento de dados chamada "interação de informação mútua ótima, "que foi desenvolvido para identificar interações diretas significativas entre componentes individuais dentro de um sistema.

"Nossa técnica adota ideias da teoria da informação e da comunicação e usa rotinas de estimativa estatística de última geração, "disse Jie Sun, professor assistente no Departamento de Matemática da Universidade Clarkson. “O conceito-chave é buscar as interações mais relevantes para o aumento da previsibilidade das oscilações da ponte. Se a estrutura da ponte foi alterada por dano ou deformação, espera-se que os detalhes mudem, permitindo-nos detectar o estado de saúde da ponte. "

O trabalho do grupo se destaca por reunir dois aspectos únicos para detectar danos em pontes ou outras estruturas mecânicas.

"Um é a natureza não invasiva e automatizada do processo de coleta de dados, "Disse Sun." O outro é a ferramenta de análise de dados que desenvolvemos, que pode inferir o fluxo direto de informações e interações significativas. Ao combiná-los, somos capazes de detectar - apenas a partir dos dados - a presença de mudanças estruturais dentro da ponte conforme controladas e variadas em nosso experimento. "

Pelo caminho, os três matemáticos envolvidos encontraram alguns defeitos estruturais interessantes revelados pela análise de dados de interações significativas, o que os intrigou por um longo tempo, porque simplesmente não fazia sentido.

"Nossa análise sugeriu um 'limite' no meio da área coberta, onde não há defeito ou padrão estrutural aparente, "Disse Sun." Depois de longas discussões com nosso colaborador engenheiro civil, Kerop Janoyan, professor de engenharia civil na Clarkson University, finalmente percebemos que estávamos confusos o tempo todo porque a área coberta não é toda a ponte do experimento, mas sim uma terceira parte e o 'limite' que descobrimos é precisamente onde há um limite estrutural - alguma estrutura de suporte por baixo. "

As pontes são onipresentes, portanto, é importante ser capaz de detectar danos estruturais o mais cedo possível para evitar resultados desastrosos. Mas a detecção de danos estruturais, que geralmente é feito manualmente, pode ser caro e, em muitos casos, não é eficaz.

Como o trabalho do grupo combina tecnologia de detecção moderna com ferramentas de análise de dados de última geração para automatizar esse processo, "pode ​​ser usado para a detecção precoce de alterações estruturais e danos antes de exigir a inspeção por um ser humano, "Bollt disse.

Esta abordagem pode ser usada junto com instrumentação barata para todos os tipos de estruturas - de pontes a turbinas eólicas, edifícios para aviões.

"Os acelerômetros estão se tornando tão baratos que os encontramos até mesmo em telefones celulares, então isso vai se tornar uma avalanche de dados, servindo como um casamento de análise de big data moderna com monitoramento de integridade estrutural, "Bollt disse.

O grupo agora está trabalhando para tornar sua abordagem implantável.

"Do lado mais teórico, estamos construindo um banco de dados de modelos de ponte que podem ser facilmente simulados e testados por meio de computadores para calibrar os parâmetros do método, e também estamos desenvolvendo estimadores estatísticos aprimorados para produzir resultados mais precisos com mais rapidez, "Bollt disse com o acordo da Sun." No lado experimental, estamos colaborando com laboratórios para testar nossos métodos para outras estruturas, incluindo asas de avião sob várias condições. "