Soil squeaks give early warning of infrastructure collapse. / I cigolii del suolo segnalano tempestivamente il crollo dell'infrastruttura.
Loughborough engineer awarded grant to develop ultrasonic monitoring system to detect deterioration of ground below transport, energy and building infrastructure
The concrete and the clay beneath my feet begin to crumble, as the popular 1960s song goes. It’s a case of truth in art. Structures sitting on or in earth – which represent most of the built environment – can seem perfectly stable for decades, and then collapse without warning.
Such disasters have been seen recently in the UK, with the collapse of the Whaley Bridge dam in Derbyshire and in Brazil, where a mining dam suddenly collapsed in February causing over 200 deaths.
One reason for such collapses is that earth is a complex and unpredictable material. It is composed of particles of widely varying sizes and shapes, and changing conditions, such as variable loading and moisture, can cause a previously stable area to start deforming.
Once this process begins, it is very difficult to predict how the constituent particles of the earth will interact with each other, and whether structures supported by this region will remain stable.
As such variables are often connected with population growth (i.e. increasing traffic on roads and alterations in train timetables) and with climate change (changes in local rainfall or aridity) these problems are becoming more pressing; a situation which civil engineers believe is likely to continue.
Alister Smith of Loughborough University’s School of Architecture, Building and Civil Engineering has been studying this phenomenon for some years and this week was awarded a Philip Leverhulme Prize of £110,000 to develop a monitoring system based on his research.
The Leverhulme Prizes are awarded by the eponymous trust to industrial researchers whose work has already attracted international attention and whose future careers are judged to be exceptionally promising.
Smith is the principal investigator on an EPSRC-funded project called Listening to Infrastructure (LTI). The project notes the rapid deterioration of many vital parts of existing infrastructure, and is focusing on acoustic methods to monitor the ground movements that might cause such deterioration.
When any material deforms, the movement of its constituent particles (or crystals in the case of metals) against each other generates high-frequency sound. Known as acoustic emissions (AE), such sounds are commonly used to monitor the condition of materials such as concrete and steel.
However, because earth deforms in an unpredictable way, unlike the well-understood cracking mechanisms of construction materials, it has been very difficult to interpret the AE signals generated by ground movements. Smith and his colleagues have published their research in the Journal of Geotechnical and Geo-Environmental Engineering, Geotechnique and elsewhere.
Smith’s LTI project applies artificial intelligence to interpreting the ultrasonic AE signals of deforming earth that is supporting infrastructure. He is determining whether AI-equipped acoustic sensors can be used to automatically extract knowledge of the health of deteriorating buried infrastructure systems from the raw AE data they extract, and whether this technology could be used to develop a continuous AE-monitoring system that could be distributed at separate locations along the length of such infrastructure.
“If we can listen to geotechnical assets with intelligent sensors – analogous to a stethoscope being used to listen to a patient’s heartbeat – we will be able to provide information on the condition of infrastructure and early warning of deterioration in real-time”, explained Smith. “Our vision is of a family of AE sensors distributed globally, protecting people and infrastructure worldwide by providing an early warning that will enable interventions to be put in place.
“These interventions could be an emergency evacuation or preventing traffic from accessing part of the network (actions which protect people), or they could be in the form of maintenance and remediation, which prevents catastrophic failures and extends an asset’s lifespan. This research has the potential to revolutionise infrastructure stewardship and it is an honour to have my past research achievements and ideas for the future recognised by receiving this Prize.”
ITALIANO
L'ingegnere di Loughborough ha ottenuto la sovvenzione per lo sviluppo di un sistema di monitoraggio ad ultrasuoni per rilevare il deterioramento del suolo sotto i trasporti, l'energia e le infrastrutture degli edifici
Il cemento e l'argilla sotto i miei piedi iniziano a sgretolarsi, come dice la famosa canzone degli anni '60. È un caso di verità nell'arte. Le strutture che si trovano su o sulla terra - che rappresentano la maggior parte dell'ambiente costruito - possono sembrare perfettamente stabili per decenni e poi crollare senza preavviso.
Tali catastrofi sono stati recentemente osservati nel Regno Unito, con il crollo della diga di Whaley Bridge nel Derbyshire e in Brasile, dove una diga mineraria è improvvisamente crollata a febbraio causando oltre 200 morti.
Uno dei motivi di tali crolli è che la terra è un materiale complesso e imprevedibile. È composto da particelle di dimensioni e forme molto diverse e condizioni mutevoli, come carico variabile e umidità, possono causare la deformazione di un'area precedentemente stabile.
Una volta iniziato questo processo, è molto difficile prevedere come le particelle costituenti della terra interagiranno tra loro e se le strutture supportate da questa regione rimarranno stabili.
Poiché tali variabili sono spesso connesse con la crescita della popolazione (ad esempio, aumento del traffico sulle strade e alterazioni negli orari dei treni) e con i cambiamenti climatici (cambiamenti nelle precipitazioni locali o nell'aridità), questi problemi stanno diventando più urgenti; una situazione che gli ingegneri civili credono possa continuare.
Alister Smith della School of Architecture, Building and Civil Engineering dell'Università di Loughborough studia questo fenomeno da alcuni anni e questa settimana ha ricevuto un premio Philip Leverhulme di £ 110.000 per sviluppare un sistema di monitoraggio basato sulla sua ricerca.
I premi Leverhulme sono assegnati dall'omonima fiducia ai ricercatori industriali il cui lavoro ha già attirato l'attenzione internazionale e le cui carriere future sono giudicate eccezionalmente promettenti.
Smith è il principale investigatore di un progetto finanziato dall'EPSRC chiamato Listening to Infrastructure (LTI). Il progetto rileva il rapido deterioramento di molte parti vitali delle infrastrutture esistenti e si sta concentrando su metodi acustici per monitorare i movimenti del terreno che potrebbero causare tale deterioramento.
Quando qualsiasi materiale si deforma, il movimento delle sue particelle costitutive (o cristalli nel caso dei metalli) uno contro l'altro genera un suono ad alta frequenza. Conosciute come emissioni acustiche (AE), tali suoni sono comunemente usati per monitorare le condizioni di materiali come cemento e acciaio.
Tuttavia, poiché la terra si deforma in modo imprevedibile, a differenza dei ben noti meccanismi di cracking dei materiali da costruzione, è stato molto difficile interpretare i segnali AE generati dai movimenti del terreno. Smith e i suoi colleghi hanno pubblicato le loro ricerche sul Journal of Geotechnical and Geo-Environmental Engineering, Geotechnique e altrove.
Il progetto LTI di Smith applica l'intelligenza artificiale all'interpretazione dei segnali di ultrasuoni AE della terra deformante che supporta l'infrastruttura. Sta determinando se i sensori acustici dotati di AI possono essere utilizzati per estrarre automaticamente la conoscenza dello stato di deterioramento dei sistemi di infrastrutture sepolte dai dati grezzi che estraggono e se questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per sviluppare un sistema di monitoraggio AE continuo che potrebbe essere distribuito in posizioni separate lungo la lunghezza di tale infrastruttura.
"Se siamo in grado di ascoltare le risorse geotecniche con sensori intelligenti - analogo a uno stetoscopio utilizzato per ascoltare il battito cardiaco di un paziente - saremo in grado di fornire informazioni sulle condizioni dell'infrastruttura e un allarme tempestivo del deterioramento in tempo reale", ha spiegato Smith . “La nostra visione è quella di una famiglia di sensori AE distribuiti a livello globale, che proteggono persone e infrastrutture in tutto il mondo fornendo un allarme rapido che consentirà di realizzare interventi.
"Questi interventi potrebbero essere un'evacuazione di emergenza o impedire al traffico di accedere a parte della rete (azioni che proteggono le persone) o potrebbero essere sotto forma di manutenzione e riparazione, che prevengono guasti catastrofici e prolungano la durata di vita di un bene. Questa ricerca ha il potenziale per rivoluzionare la gestione delle infrastrutture ed è un onore avere i risultati delle mie ricerche passate e le idee per il futuro riconosciute ricevendo questo premio. "
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