Inspektioner av tunnlar är en viktigt men tidskrävande aktivitet. Den senaste tidens teknikutveckling har dock visat på möjligheten att övergå från manuella till digitala inspektioner där mobila datainsamlingssystem och maskininlärning används för att automatisk upptäcka sprickor och andra skador i sprutbetongen.

Huvudsaklig forskarorganisation: Kungliga tekniska högskolan
Forskningsområde: Drift och underhåll
Doktorandprojekt, Huvudhandledare: Andreas Sjölander
Projektstart: 2024
Finansiering i samverkan med Trafikverket: 2 121 000 kr

Just nu pågår omfattande forskning och arbete för att med hjälp av AI och olika typer av sensorer, t.ex. kameror, LiDAR och optiska fiber, möjliggöra digitala inspektioner av konstruktioner. Detta kan väsentligt förbättra kartläggningen av konstruktionens tillstånd och minska tiden konstruktioner behöver vara stängda för inspektion. Ett väldigt viktigt område för att kunna möjliggöra digitala inspektioner är hur risken med karterade skador ska bedömas. Forskningen som riktar in sig mot tillståndsbedömningen av risken kopplat till skador i konstruktioner och i synnerhet bergförstärkning är väldigt begränsad.

Finit elementmodell av en stålfiberarmerad sprutbetongbalk med diskreta fibrer, genererade utifrån resultat om fiberdistribution.

En sammanfattning av befintliga riktlinjer för tillståndsbedömning relaterad till sprickor i bergförstärkningar av betong visar på stor spridning. I många fall verkar det även saknas en teoretisk bakgrund för hur gränsvärden för konstruktionens tillstånd och risk kopplad till karterade skador har bestämts.

Målsättningen med detta projekt är att öka förståelsen för hur befintliga skador i form av vidhäftningsbrott och sprickor i bergförstärkning av sprutbetong eller gjuten betong påverkar förstärkningens bärförmåga. Detta kommer att göras med numeriska simuleringar med FEM. Medans sprickor i förstärkningen kan upptäckas med hjälp av kameror är vidhäftningsbrott betydligt mer komplicerat att upptäcka och detta görs idag enbart med manuella metoder. Inom detta projekt kommer möjligheten att upptäcka detta med digitala metoder att undersökas. Slutligen kommer projektet även att undersöka hur en digital tunnelinspektionsmetod ska implementeras och samköras med analoga inspektioner för att genomföra inspektioner på bästa möjliga sätt. För att studera effekten av sprickor numeriskt krävs en numerisk materialmodell som kan beskriva uppsprickning samt krossning av betongen på ett korrekt sätt. Vidare ska även modellen klara av stora deformationer.

Simulerat sprickmönster för en rund platta testad enligt ASTM C1550.

Projektet har därmed startat med att göra en omfattande litteraturstudie av materialmodeller som kan beskriva uppsprickning och krossning av fiberarmerad betong. Litteraturstudien har kombinerats med att implementera och göra simuleringar med valda modeller. Simulerade resultat med olika materialmodeller har jämförts med experimentella försök av tryckta kuber/cylindrar, balkar utsatta för böjning samt runda plattor som utsätts för stora deformationer samt en kombination av dessa drag- och tryckbrott. I Figur 1 visas en numerisk modell där fiber har modellerats som diskrete element som är genererade utifrån studerade fiberorientering i provkroppar och Figur 2 visar simulerad uppsprickning av en rund platta under försök vilket stämmer väl överens med försök.

Se forskarens korta projejtpresentation:

Deltagare

Studien genomförs som del av ett doktorandprojekt med med stöd från Andreas Sjölander, Anders Ansell och Erik Nordström. Därtill stödjer en referensgrupp arbetet, denna består av Patrik Vidstrand, Peter Danielsson, Jan Malmtorp, Carlos Perez Rioja, Catrin Edelbro och Louise Sjölund.

Ture Zingmark är doktoranden som vid avdelningen för Betongbyggnad på KTH genomför större delen av forskningsstudien. Tures forskning fokuserar på att förstå och förbättra kunskapen om riskerna relaterade till skador i sprutbetongförstärkningar, samt att undersöka hur digitala inspektionsmetoder kan integreras i framtidens underhållssystem. Arbetet bygger främst på numeriska simuleringar med finita elementmetoden (FEM), men inkluderar även studier av faktiska skador och åtgärder i befintliga tunnlar. Ture har en civilingenjörsexamen i konstruktionsteknik och arbetade tidigare som konstruktör i två år innan han återvände till akademin för att bidra till en säkrare och mer hållbar infrastruktur.