Spinające brzegi i przerzucone nad przeszkodami konstrukcje są tak ważne dla rozwoju gospodarczego i społecznego, że związana z nimi symbolika na stałe przeniknęła do kultury – czego wyrazem jest chociażby jeden z papieskich tytułów. Najwyższy kapłan to po łacinie pontifex maximus – „pontifex” oznacza budowniczego mostów. Termin ten pochodzi jeszcze z czasów pradawnego Rzymu, gdzie za budowę i utrzymanie jedynej wówczas przeprawy na Tybrze, Pons Sublicius, odpowiadała rada kapłanów.

Od czasów rzymskich jedno się nie zmieniło – budowa mostów to przedsięwzięcie wciąż wymagające dużych środków, co sprawia, że są one wyjątkowo cenne. Po wysupłaniu kilkuset milionów, a nierzadko paru miliardów, na budowę właściciel oczekuje, że konstrukcja będzie mu służyć bez większych nakładów finansowych nawet sto lat. Z tego względu szczególnie na znaczeniu zyskuje diagnostyka stanu tych budowli. Służącą do tego technologię od dwóch dekad udoskonalają naukowcy z Politechniki Świętokrzyskiej. – Dzięki naszej metodzie możemy zajrzeć do wnętrza konstrukcji mostu i zawczasu dostrzec usterki i uszkodzenia, których nie widać na zewnątrz, a także lokalizować je z dokładnością do milimetra – mówi prof. Grzegorz Świt z PŚ.

W największym skrócie kieleckie rozwiązanie można opisać jako stetoskop dla mostu, bo tak jak w przypadku tego przyrządu lekarskiego, badanie przeprawy polega na wsłuchaniu się w generowane przez konstrukcję sygnały dźwiękowe i ich analizie. Funkcję głowicy stetoskopu pełnią czujniki emisji akustycznej, które przyczepia się do powierzchni konstrukcji, natomiast w interpretacji sygnału lekarza zastępuje komputer. – Nasz wynalazek pozwala zajrzeć nie tylko w głąb mostu, lecz także w jego przyszłość. Za jego pomocą jesteśmy w stanie przewidzieć, kiedy w konstrukcji pojawią się mikrouszkodzenia, rysy, czyli defekty strukturalne. Rysy są o tyle kluczowe, że w miarę upływu czasu powiększają się, co wpływa na nośność i trwałość, czyli bezpieczeństwo budowli – tłumaczy prof. Świt. Z punktu widzenia właściciela mostu taka wiedza jest cenna, bo pozwala odpowiednio wcześnie podjąć decyzję o interwencji i usunięciu defektu – a to niesie ze sobą oszczędności, bo wcześniejszy remont jest tańszy niż ten wykonany w późniejszym terminie, kiedy uszkodzenia są już widoczne gołym okiem.

Zarządcy infrastruktury mają zazwyczaj budżety napięte do granic możliwości, w związku z czym decyzje o budowie nowych przepraw lub remoncie istniejących odkładają, jak bardzo się da. Także w tym aspekcie wynalazek kieleckich inżynierów przychodzi im z pomocą. Badanie za pomocą ich technologii jest na tyle dokładne, że może opóźnić decyzję o zamknięciu przeprawy, której parametry techniczne uległy pogorszeniu – pod warunkiem że zostaną wprowadzone pewne ograniczenia, najczęściej związane z nośnością konstrukcji. Z punktu widzenia samorządowców to nieoceniona pomoc, bo lepiej mieć stary, ale w miarę sprawny most, niż nie mieć żadnego.

Tylko co właściwie bada wynalazek ze świętokrzyskiej uczelni? Fale dźwiękowe. Ktoś mógłby zapytać: fale dźwiękowe wewnątrz mostu? Oczywiście. Dźwięk to nic innego niż rozchodzące się zaburzenie w jakimś ośrodku fizycznym – i wcale nie musi to być powietrze, może to być również ciało stałe, np. beton. Z tym zastrzeżeniem, że „dźwięk” odnosi się tylko do fal z wąskiego zakresu częstotliwości rejestrowanych przez ludzkie ucho. Pełne spektrum jest znacznie szersze, w związku z czym bardziej naukowo powiemy, że kielecki wynalazek rejestruje fale akustyczne i przypisuje im typy oraz kody uszkodzeń.

Wytłumaczenie, skąd się biorą fale akustyczne w moście, będzie najprostsze przy odwołaniu się do często stosowanego zwrotu: że budynki pracują. – Mosty pracują przy dużych obciążeniach wynikających z normalnego ruchu samochodowego, różnicy temperatur czy kiedy np. z jednej strony oświetla je słońce i konstrukcja się nagrzewa, a z drugiej jest chłodniejsza. Pracę wywołują również uderzenia wiatru oraz inne zjawiska pogodowe, geotechniczne czy technologiczne – tłumaczy prof. Świt. W reakcji na nacisk lub temperaturę zmienia się lokalnie gęstość w materiale konstrukcyjnym, a ponieważ w ciele stałym jest za ciasno, zmiana ta propaguje, czyli przemieszcza się pod postacią fali akustycznej, którą można zarejestrować. Jeśli fala napotka na swojej drodze defekt, dojdzie do jej rozproszenia, a rozproszenie to również jesteśmy w stanie zarejestrować i wyciągnąć z niego odpowiednie wnioski.

To jednak nie opracowanie głowicy stetoskopu zajęło kieleckim inżynierom dwie dekady, ale nauka tego, co właściwie dzięki niemu słychać. Z jednej strony musieli zgromadzić wystarczająco duży katalog sygnałów dźwiękowych pochodzących z różnych typów konstrukcji, aby przyporządkować owe fale akustyczne i odpowiadające im parametry fizyczne do różnych defektów (zaprzęgnięto do tego m.in. sieci neuronowe). Czasu wymagało też cierpliwe czekanie, aż komputery będą sobie w stanie poradzić z obróbką olbrzymiej ilości danych, jakich dostarczają pomiary akustyczne. – Jeden pomiar mieści się w pliku o objętości od 1 do nawet 25 GB. Do obróbki takiej ilości danych potrzebny jest sprzęt o odpowiedniej mocy obliczeniowej, a w 1996 r. komputery osobiste jeszcze takiej nie miały. Wykonanie wtedy takiej pracy, jaką dziś wykonują za nas komputery, było po prostu fizycznie niemożliwe – śmieje się prof. Świt. To jednak jeszcze nie koniec pracy nad tą technologią. Naukowcy cały czas ją udoskonalają, koncentrując się teraz na uproszczeniu metod analizy tak, aby niezbędne obliczenia trwały jak najkrócej. I by była jak najłatwiejsza w użytkowaniu.

Przypomina to problem, z którym zmierzyli się inżynierowie z zabrzańskiego Instytutu Techniki i Aparatury Medycznej ITAM, których elektrokardiogram płodu zwyciężył poprzednią edycję konkursu „Eureka! DGP”. Tam również problemem był fakt, że komputery nie posiadały wystarczającej mocy obliczeniowej, aby poradzić sobie z obróbką sygnału z brzucha matki na tyle zaawansowaną, aby odfiltrować z niego słabiutki dźwięk serca małego pacjenta.

Technologia naukowców z PŚ jest tak dobra, że postanowił zainwestować w nią samorząd województwa świętokrzyskiego. Włodarze z Kielc chcieliby stworzyć przy wojewódzkim zarządzie dróg centrum monitoringu lokalnych mostów, które objęłoby nadzorem kilka najbardziej strategicznych przepraw, a oprócz tego było wyposażone w przenośny zestaw dla „lotnej brygady” przeprowadzającej okresowe pomiary w terenie. Wynalazek zresztą znajduje już zastosowanie – został wdrożony przez dwie kieleckie firmy. Jedna z nich zaadaptowała go do badania gazociągów, a druga do oceny stanu technicznego konstrukcji betonowych. Technologię wykorzystuje również do świadczenia usług sama Politechnika Świętokrzyska – naukowcy badali za jego pomocą stan ponad 100 obiektów mostowych w Polsce, a także zaprojektowali prototypowy system monitoringu mostu wantowego My Thuan na delcie Mekongu w południowym Wietnamie.

Eureka! DGP

Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.