Theo đánh giá hiện trạng năm 2022 của Bộ Kỹ thuật số và Giao thông Liên bang Đức (BMDV), khoảng 8.000 cây cầu đường bộ trên khắp nước Đức đang cần được cải tạo hoặc sửa chữa. Thực tế này đặt ra yêu cầu phải chuyển từ phương thức kiểm tra định kỳ truyền thống sang các giải pháp giám sát liên tục nhằm phát hiện sớm hư hỏng và giảm nguy cơ mất an toàn công trình.

Trước nhu cầu đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ và Hệ thống Gốm sứ Fraunhofer IKTS đã phát triển COMOBASE, hệ thống giám sát phát xạ âm (acoustic emission monitoring) có khả năng theo dõi tình trạng kết cấu cầu và các công trình hạ tầng theo thời gian thực. Theo nhóm nghiên cứu, giải pháp mới được thiết kế theo hướng chuyên biệt hóa cho từng ứng dụng, giúp giảm đáng kể chi phí so với các hệ thống giám sát đã nâng hiện nay.

Ông Lars Schubert, Trưởng bộ phận Giám sát tình trạng và Dịch vụ thử nghiệm của Fraunhofer IKTS, cho biết phần lớn các hệ thống thương mại hiện nay được phát triển theo hướng “một giải pháp cho mọi ứng dụng”, dẫn tới chi phí đầu tư cao trong khi nhiều tính năng không thực sự cần thiết đối với từng loại công trình cụ thể.

Theo ông, thay vì áp dụng cách tiếp cận đó, Fraunhofer IKTS tập trung phát triển các hệ thống được tối ưu hóa cho từng đối tượng như cầu đường, bình chịu áp lực, nhà máy hóa chất hoặc tua-bin gió. Cách tiếp cận này cho phép đơn giản hóa phần cứng và phần mềm, từ đó giảm chi phí triển khai mà vẫn đáp ứng yêu cầu giám sát.

Hệ thống giám sát phát xạ âm (acoustic emission monitoring) có khả năng theo dõi tình trạng kết cấu cầu và các công trình hạ tầng theo thời gian thực, biến được bố trí tại những vị trí quan trọng trên công trình nhằm bảo đảm khả năng bao quát toàn bộ kết cấu.

Để phục vụ việc thu thập dữ liệu, Fraunhofer IKTS cũng phát triển riêng hệ thống điện tử đo lường dựa trên nền tảng công nghệ PCUS. Một cấu hình cơ bản của COMOBASE có khả năng xử lý đồng thời 32 kênh tín hiệu, cho phép nhiều cảm biến hoạt động song song trên cùng một công trình. Nhóm nghiên cứu cũng cung cấp bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK) để khách hàng có thể tích hợp hệ thống với các nền tảng quản lý và giám sát hiện có.

Khi kết cấu công trình phát ra tín hiệu cảnh báo

Công nghệ của COMOBASE dựa trên hiện tượng phát xạ âm – những tín hiệu âm thanh rất nhỏ được sinh ra khi vật liệu xuất hiện hư hỏng. Trong các kết cấu bê tông hoặc thép, quá trình hình thành vết nứt, sự phát triển của hư hỏng hoặc hiện tượng đứt cáp dư ứng lực đều tạo ra các sóng âm đặc trưng. Các cảm biến gắn trên công trình sẽ ghi nhận những tín hiệu này, từ đó xác định vị trí và đánh giá mức độ hư hỏng.

Ông Kilian Tschöke, nhà nghiên cứu của Fraunhofer IKTS, ví hiện tượng này giống như âm thanh phát ra khi một dây đàn guitar đang căng bất ngờ bị đứt.

“Mỗi khi xảy ra hư hỏng, kết cấu sẽ phát ra một âm thanh đặc trưng. Công nghệ của chúng tôi có thể phát hiện và xác định chính xác vị trí của tín hiệu đó”, ông giải thích.

Khác với các phương pháp kiểm tra truyền thống vốn chỉ được thực hiện theo từng đợt, hệ thống phát xạ âm cho phép theo dõi liên tục trong suốt quá trình khai thác công trình. Các nhà nghiên cứu mô tả đây như một “ống nghe thường trực” dành cho các kết cấu hạ tầng. Hệ thống tập trung phân tích các tín hiệu tần số thấp, vốn có khả năng lan truyền hiệu quả hơn trong các cấu kiện bê tông và thép kích thước lớn. Các cảm biến được bố trí tại những vị trí quan trọng trên công trình nhằm bảo đảm khả năng bao quát toàn bộ kết cấu.

Hướng tới giám sát hạ tầng liên tục với chi phí hợp lý

Hiện COMOBASE đang được thử nghiệm trên một cây cầu bê tông dư ứng lực tại thành phố Dresden của Đức, đồng thời vận hành song song với các hệ thống giám sát đã được sử dụng trên thị trường nhằm đánh giá hiệu quả thực tế.

Theo Fraunhofer IKTS, các kết quả ban đầu cho thấy hệ thống mới có thể đưa ra những đánh giá tương đương các giải pháp hiện hành nhưng với mức độ phức tạp thấp hơn đáng kể.

Ông Lars Schubert cho biết, các đợt thử nghiệm đã xác nhận khả năng cung cấp kết quả phân tích đáng tin cậy trong khi vẫn duy trì cấu hình đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn.

Đối tượng sử dụng chính mà Fraunhofer IKTS hướng tới là các đơn vị tư vấn kỹ thuật, tổ chức kiểm định xây dựng và các cơ quan quản lý hạ tầng. Thông qua việc phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, hệ thống có thể hỗ trợ đánh giá rủi ro kết cấu, lập kế hoạch bảo trì và kéo dài tuổi thọ công trình.

Trong thời gian tới, Viện nghiên cứu dự kiến tiếp tục phát triển các công nghệ giám sát khác, bao gồm cảm biến sợi quang dành cho hạ tầng giao thông. Đồng thời, dự án Fit4Infrastructure cũng đang xây dựng một trung tâm nghiên cứu chuyên về các phương pháp thử nghiệm và giám sát công trình tại Dresden-Klotzsche.

Trong bối cảnh nhiều quốc gia đang phải đối mặt với tình trạng xuống cấp của hệ thống cầu đường được xây dựng từ nhiều thập kỷ trước, các giải pháp giám sát liên tục như COMOBASE có thể giúp thay đổi cách thức quản lý tài sản hạ tầng. Thay vì chờ đến khi hư hỏng xuất hiện rõ ràng mới tiến hành sửa chữa, các đơn vị quản lý có thể phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và chủ động đưa ra các biện pháp bảo trì phù hợp, qua đó nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả khai thác công trình.

Nguồn: Techxplore.com