Optiske fibrer sikrer Götaälv-broen

NGI skal bruke fiberoptisk teknologi til å overvåke den nedslitte Götaälv-broen i Göteborg frem til en ny bro kan stå ferdig i 2020.

Götaälv-brua er overvåket med fem tynne optiske fibrer med så høy detaljoppløsning at det tilsvarer 50 000 sensorer med eldre teknologier. (Foto: Göteborgs stad)

Den nesten 70 år gamle Götaälv-broen har fått en rekke sprekker og utmattingsskader i deler av konstruksjonen som følge av dårlig stålkvalitet, men en ny overvåkingsmetode basert på fiberoptisk teknologi gjør det mulig å kjøre trygt over broen i noen år til. NGI og Trafikk-kontoret i Göteborg har nå undertegnet en utvidet kontrakt som innebærer at Vegkontoret har godkjent det arbeidet NGI har gjort med Götaälv-broen siden 2004, og at NGI skal drifte og vedlikeholde overvåkingssystemet frem til en ny bro kan stå klar i 2020.

Årsaken til at Götaälv-broen i sentrum av Göteborg blir overvåket med fiberoptikk, er at de lokale trafikkmyndighetene vil sikre seg at det er trygt å bruke den inntil en ny bro eller tunnel kan stå ferdig. Götaälv-broen er en viktig trafikkåre som befordrer ca 26 000 kjøretøy i døgnet, men den er både gammel og sliten.

Det har oppstått en rekke mindre sprekker og andre utmattingsskader i broens bærende konstruksjoner, og i perioden 1996-99 ble broen reparert for 110 millioner svenske kroner. En senere utredning konkluderte med at broen nå kan brukes fram til 2020, men bare hvis trafikkmengden holdes innenfor visse grenser mens det foretas løpende overvåking av broens tilstand.

Tynne fibrer sikrer stor bro
Trafikk-kontoret i Göteborg tildelte i 2005 NGI oppdraget med å prosjektere, produsere og montere et overvåkingssystem, etter at instituttet først hadde undersøkt hvilken overvåkingsmetode som var mest velegnet. 

- Vi vurderte både laserbaserte systemer, andre optiske systemer, bildebehandlingsmetoder, overvåking ved hjelp av sveisbare eller limbare strekklapper, og så videre. Utgangspunktet var at Trafikkontoret ville ha en mest mulig detaljert overvåking av brokonstruksjonen. Til slutt kom vi frem til at en ny teknologi som baserer seg på bruk av optiske fibrer var både mest nøyaktig og mest kostnadseffektivt, forteller NGIs tekniske ekspert Frank Myrvoll, som har vært NGIs prosjektleder helt fra starten. 

Ny fiberoptisk målemetode
Den fiberoptiske overvåkingen av Götaälv-broen fram til 2020 blir utført med en fiberoptisk metode som kalles Brillouin scattering. NGI har montert fem tynne optiske fibrer på hele lengden av bærebjelkene under den 900 meter lange broen, og disse fibrene er i stand til å påvise deformasjoner med en detaljeringsgrad som er helt eventyrlig i forhold til tidligere teknikker.

- Hvis det oppstår en sprekk i brokonstruksjonen, vil vi få signal om det med en gang. Fibrene er så følsomme at vi kan avgjøre hvor en eventuell sprekk er med ned til 10 centimeters nøyaktighet i hele broens totale lengde, forteller Frank Myrvoll. 

- Hvis vi skulle fått til noe liknende med eldre teknologier, måtte vi montert minst 50 000 punkter med strekkmålere eller andre typer sensorer, og det ville vært helt uaktuelt på grunn av de høye kostnadene. Nå har vi isteden montert fem relativt billige optiske fibrer, og de gir oss et vell av kontinuerlig informasjon om broens tilstand, tilføyer han. Metoden er utviklet ved et sveitsisk universitet og senere kommersialisert gjennom bedriften SMARTEC, som er NGIs underleverandør. 

- Dette prosjektet har ført til et gjennombrudd når det gjelder fiberoptisk overvåking av konstruksjoner i Norden. Den teknikken vi nå har lært oss, som gjør det mulig å overvåke konstruksjoner med stor nøyaktighet og forholdsvis små kostnader, vil sannsynligvis få stor anvendelse på en rekke områder i fremtiden, tror Myrvoll. I tillegg til Myrvoll har NGI-ekspertene Erik Lied, Per Dobloug, Yme Asgeir Kvistedal og Ralph Omli hatt sentrale roller i prosjektet.

De optiske fibrene er levert av den sveitsiske bedriften Smartec og installert av NGI.

Lys eller frekvens endrer seg
Brillouin scattering-metoden går kort fortalt ut på å sende lys inn i den ene enden av en fiber, for deretter å måle lyset som kommer ut igjen i den andre enden, samt refleksen tilbake til avsenderen. Hvis fiberen blir utsatt for en mekanisk belastning eller deformasjon på tvers av fiberen vil enten lysets styrke eller frekvens endre seg, og disse endringene kan brukes til å regne ut nøyaktig hvor på fiberen det har skjedd en belastning.

- Hvis systemet registrerer økende deformasjoner og en sprekk som er større enn 0,5 millimeter blir broen automatisk stengt, og da kan den ikke åpnes igjen før den er blitt inspisert. Men dette har ikke skjedd ennå. Det er viktig å understreke at denne overvåkingen gjør at det vil bli helt trygt å bruke broen, sier Myrvoll.

Vurderes for tunneler
NGI skal nå undersøke om den fiberoptiske overvåkingen også kan brukes til sikring av tunneler. Det har de siste årene forekommet flere ras inne i norske tunneler, blant annet fra taket i Hanekleivtunnelen på E18 gjennom Vestfold i 2007.

- Vi tror det er en god idé å installere et fåtall optiske fibrer i sprøytebetongen i taket i tunneler med en viss rasrisiko, og disse fibrene vil øyeblikkelig registrere små ras eller begynnende deformasjoner over betongen. Dette skal vi undersøke i et nytt FoU-prosjekt, forklarer Frank Myrvoll. Prosjektet "Tunnelsikkerhet - dokumentasjon og verifikasjon" er delfinansiert av Norges forskningsråd.

Brillouin scattering er det siste tiåret brukt for å overvåke en rekke broer, større bygg og dammer i Europa og USA. Teknikken er også velegnet til å overvåke for eksempel betong- og stålkonstruksjoner, undergrunnsanlegg, pelefundamentering og skredfarlige områder.