Götaälv-brua sikret med optiske fibre

De fem optiske fibrene som er festet på undersiden av den nesten 70 år gamle Götaälv-brua i Göteborg er både tynne og spinkle, men skal bidra til å gjøre broen sikrere i bruk og forlenge levetiden med 10-15 år. Fibrene brukes nemlig til å måle trafikkbelastninger, spenninger og sprekkdannelser, og de har en følsomhet som ville vært helt utenkelig med tidligere teknologier.

Foto: Stig Hedström, Vägverket  

- Disse optiske fibrene gjør det mulig å sitte på kontoret og følge med på om det oppstår spenninger eller sprekkdannelser i Götaälv-brua når det kjører tungtrafikk over den. Hvis det for eksempel oppstår en sprekk, kan vi avgjøre hvor sprekken er med ned til 10 centimeters nøyaktighet i hele broens totale lengde, forteller sivilingeniør Frank Myrvoll ved NGI (Norges Geotekniske Institutt).

De fiberoptiske kablene på Götaälv-brua gir dermed et enestående, detaljert og kontinuerlig bilde av broens tilstand, på en måte som ville vært utenkelig for bare få år siden. - 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 Myrvoll.

En sliten bro
Årsaken til at Götaälv-brua i sentrum av Göteborg blir overvåket, er at de lokale trafikkmyndighetene ville sikre seg at det er trygt å bruke den inntil en ny bro eller tunnel står ferdig. Götaälv-brua er nemlig 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 utredning har senere konkludert med at broen etter dette kan brukes fram til 2020, men bare hvis trafikkmengden holdes innenfor visse grenser mens det foretas løpende overvåking av broens tilstand. Det er her fiberoptikken kommer inn.

Ny fiberoptisk målemetode
Overvåkingssystemet gjør bruk av den fiberoptiske målemetoden Brillouin scattering, som kort fortalt går ut på å sende lys inn i den ene enden av en fiber og måle lyset som kommer ut igjen i den andre enden og refleksen. Hvis fiberen blir utsatt for en mekanisk belastning eller deformasjon på tvers av fiberen vil enten lysstyrken eller -frekvensen endre seg, og disse endringene kan brukes til å regne ut nøyaktig hvor på fiberen det har skjedd en belastning.

Trafikk-kontoret i Göteborg tildelte i 2005 NGI oppdraget med å prosjektere, produsere og montere overvåkingssystemet, 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 kontinuerlig i hele lengden. Det var ikke tvil om at Brillouin scattering-metoden var både mest nøyaktig og mest kostnadseffektivt, forteller Frank Myrvoll, som har vært NGIs prosjektleder helt fra starten.

- Den store fordelen med Brillouin scattering-metoden er at det er blitt mulig å måle belastninger kontinuerlig over hele konstruksjonen på en kostnadseffektiv måte. I tillegg er optiske målinger immune mot elektrisk støy, og de har veldig stor nøyaktighet over tid, oppsummerer Myrvoll. Metoden er utviklet ved et sveitsisk universitet og senere kommersialisert gjennom SMARTEC (www.smartec.ch), som er NGIs underleverandør.

Gjør broen tryggere
Den kilometerlange Götaälv-brua ble bygd i 1939 og utvidet i 1958. Broen har en midtre klaffdel som kan åpnes for å slippe gjennom større båter, og hviler for øvrig på sju store langsgående stålbjelker. - Stålet i disse bjelkene er til dels av dårlig og svært varierende kvalitet. Kvaliteten varierer så mye at det er umulig å forutsi hvor det kan oppstå sprekker, og det var derfor nødvendig å overvåke broen i hele sin lengde. Det kan i prinsippet oppstå sprekker hvor som helst langs de fem kilometrene med bjelker som blir overvåket, understreker Myrvoll.

På Götaälv-brua er det nå installert fibrer på fem av de sju bærebjelkene. Dette blir til sammen omtrent fem kilometer med fiber, som er tilknyttet et målesystem og en datamaskin som registrerer og analyserer data hver annen time hele døgnet. Fiberen kan i prinsippet detektere en endring hvor som helst over hele lengden, men av praktiske grunner er "oppløsningen" satt til 10 centimeter. Det vil si at systemet registrerer sprekker mellom to og to målepunkter som står 10 cm fra hverandre.

Systemet varsler automatisk hvis det oppstår mikro-deformasjoner større enn såkalt 20 mikrostrain (20 x 10-6 m/m), selv om dette ikke regnes som farlig. - Hvis systemet derimot 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.

Bruer under overvåking
NGI har tidligere blant annet instrumentert Källösundbroen, som har nærmest nasjonaløkonomisk betydning i Sverige fordi eksporten fra både Volvo og Saab til kontinentet går over den med tunge trailere. Det var derfor ikke snakk om å stenge broen da det ble oppdaget store sprekker i konstruksjonen - det ble isteden installert et overvåkingssystem som fungerte i tre år inntil konstruksjonen var blitt tilstrekkelig forsterket. For øvrig er blant annet Skarnsundbrua og Helgelandsbrua i Norge instrumentert og overvåket, samt Uddevallabrua i Sverige og den nye Svinesundsbrua som ble åpnet i 2005.

Vurderes for tunneler

Norges forskningsråd har nylig bevilget penger til et prosjekt som skal undersøke mulighetene for å bruke fiberoptikk til overvåking og sikring av tunnelkonstruksjoner.

Brillouin scattering-metoden er det siste tiåret brukt for å overvåke en rekke broer, større bygg og dammer i Europa og USA. Den har også blitt tatt i bruk på den nye Årsta jernbanebru i Sverige.

- Teknikken er også velegnet til å overvåke for eksempel betong- og stålkonstruksjoner, undergrunnsanlegg, pelefundamentering og skredfarlige områder. En veldig interessant potensiell anvendelse er å bruke fiberoptikken til å overvåke tunneler med en lav kostnadsinnsats. Hvis det for eksempel ble installert et fåtall fibrer i sprøytebetongen øverst i tunneltaket i hele tunnelens lengde, ville systemet øyeblikkelig si fra hvis det begynte å gå små ras eller begynnende deformasjoner over betongen - og gi eksakt beskjed hvor slike uventede deformasjoner oppstår, tilføyer Myrvoll. Han viser blant annet til de problemene som
oppsto med uventet ras i vegtunnel i Vestfold for litt over ett år siden.

NGI skal nå teste fiberoptisk overvåking av tunneler i forsknings- og utviklingsprosjektet "Tunnelsikkerhet - dokumentasjon og verifikasjon", som er delfinansiert av Norges forskningsråd.

- Det er et økende behov for overvåking av det vi kan kalle samfunnets infrastruktur, enten det er snakk om broer eller andre konstruksjoner, mener Myrvoll. Utviklingen går for eksempel i retning av økte aksellaster og hastigheter på vei og jernbane, noe som medfører økte belastninger på gamle broer. Instrumentering og overvåking kan blant annet fortelle om de gamle bruene tåler økt belastning, eller om det må bygges nye bruer.