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スキャン装置から目を離せないのは、テキサス大学アーリントン校の工学教授であるSuyun Ham氏だ。 Ham氏は助手に「センサーをもう少し下げてください」と指示し、診断に必要なデータがコンピューター画面に流れ込むのを注意深く見守っている。
Ham氏は医師ではないし、彼の「患者」は生きたものでもない。 Ham氏は橋の検査に革新的なアプローチを試みている。
米国インフラの熱に対する脆弱性
Ham氏が開発したモバイル・スキャン・システムは、米国のインフラを熱に対する耐性を高める取り組みの一環である。専門家によると、橋を急速に破壊する洪水や竜巻とは異なり、極度の熱は時間をかけて橋を蝕む「静かなる死」である。
Ham氏はダラス・フォートワース地域に住んでおり、夏の気温は38℃を超える。「温度が許容範囲を超えると、橋は予期せぬ損傷を受ける可能性があります。」Ham氏は、自身の開発した「MRI」によって、橋の内部を迅速に確認できると説明している。
温度変動と橋への影響
橋の材料は、温度変動に応じて膨張と収縮を繰り返す。ほとんどの橋は、その動きに対応するための機能を備えているが、歴史的に低い気温に耐えるように設計されていると、コロラド大学ボルダー校名誉教授の土木工学教授Paul Chinowsky氏は述べている。温度が記録的な高さに達すると、橋はエンジニアの意図しない方法で挙動することがあるという。
熱で膨張した鋼鉄製のジョイントは、可動橋の可動性を損ない、少なくとも一時的に開閉できなくなる可能性がある。コンクリートも熱によって膨張し、その膨張が橋の設計上の限界を超えると、コンクリートがひび割れ、内部の金属部品が水分にさらされ腐食する可能性がある。
世界各地で見られる熱による橋への影響
これは世界中でますます一般的な現象となっている。2022年には、中国でコンクリート橋が猛暑により半分に崩壊した。同年、ロンドンでは、ハマースミス橋が過熱を防ぐために巨大な箔で覆われた。2018年には、シカゴのDuSable可動橋が猛暑に見舞われ、鋼鉄製のジョイントが膨張して動かなくなり、消防隊が冷水をかけてようやく解決した。
「橋は非常に脆弱です。」Chinowsky氏は述べている。「気温が通常よりも高くなればなるほど、危険性が増します。」
老朽化した橋への影響と修繕の必要性
米国の橋は、その健康状態がすでに悪化している中で、より高温にさらされている。米国には60万以上の橋があり、そのうちのほぼ半分が設計上の寿命である50年を超えていると、米国土木学会の2025年の報告書は述べている。適切なメンテナンスを行えば、多くの橋は100年以上も使用できる可能性があると、この業界団体は述べている。しかし、今年発表された米国道路交通建設協会の分析によると、約3分の1の橋は修繕または交換が必要である。
ヴァンダービルト大学の教授であるHussam Mahmoud氏は、米国全土の約9万の鋼桁橋の構造健全性を評価し、その多くが、主に熱によって伸縮継手の機能が早期に損なわれたことが原因で、老朽化が早まっていることを発見した。
気候変動による熱波の増加と橋への影響
気候変動に伴い、熱波の頻度と深刻さが増加するにつれて、2つの橋梁スパンを接続する伸縮継手がより頻繁に膨張する。これに、時間の経過とともに継手に蓄積された破片や汚れによる負担が加わり、構造に圧力がかかり、橋がひび割れたり座屈したりするリスクが高まると、Mahmoud氏は述べている。これらの欠陥が橋の即時的な崩壊の危険性をもたらすわけではないが、さらなる損傷を避けるために修復する必要があり、それは「多くの頭痛の種」となる可能性があるとMahmoud氏は述べている。
米国では毎日49億回以上の橋の通行があり、橋の閉鎖は商業と経済に影響を与える可能性があると、Mahmoud氏は指摘する。より多くの損傷は、より高いメンテナンスコストも意味する。米国はすでに、橋を適切に修復するために、今後10年間で3730億ドルの資金不足に直面していると、米国土木学会は述べている。
熱による橋の損傷がもたらす影響
熱による損傷は、人々の自由な移動が最も必要とされる時に橋が機能不全に陥る原因にもなり得る。6月には、サウスカロライナ州の可動橋が猛暑により数時間も動かなくなり、船舶の通行ができなくなり、致命的なボート事故の救助活動が遅れた。
Ham氏にとって、橋のより良い監視が重要である。「ステージ4のがん患者を治療することが難しいように、多くの欠陥がある場合、橋を修復するには手遅れになります。」と彼は述べている。
Ham氏の開発した技術と従来の検査方法との比較
Ham氏は、大学時代に橋の検査に多くの時間を費やし、従来の検査方法の限界を直接学んだ。以前は、ハンマーで橋の表面を叩き、問題を示唆する空洞音を聞いていた。そのハンマーは後に、より高度なデバイスに進化したが、手動検査の時間がかかるという性質は、ほとんど変わっていないとHam氏は言う。
従来の検査方法では、検査のために橋の一部車線を閉鎖する必要があり、テキサス州のように56,000以上の橋がある場所では大きな問題となる。連邦政府の義務付けにより、高速道路の橋は通常2年ごとに検査する必要があるが、Ham氏と他のテキサス大学アーリントン校のスマートインフラストラクチャテスト研究所の研究者たちは、新たな解決策としてドライブスルー検査を導入することで、検査頻度を増加させることを目指している。
ドライブスルー検査システムの概要
Ham氏の機械は、数十個の電子機器を搭載したトレーラーで、ピックアップトラックで牽引される。7月の猛暑の日、車両が大学構内の小川の上に架かるコンクリート橋を横切って機械を走らせると、ツールはコンクリートを伝播できる機械的波を生成する。センサーは、その結果生じる橋の振動信号を拾い上げ、GPSデバイスは各信号の発生場所を特定する。一方、地中レーダーはパルスを発射して、橋のデッキの下の構造物の画像を生成し、GoProは表面の状態をビデオ撮影する。 Ham氏によると、最終的な目標は、エンジニアがひび割れ、空隙、その他の異常を特定できるようにする幅広いデータを収集することである。
この機械は、全長5フィートの橋全体を数秒でスキャンした。 Ham氏によると、従来の検査方法では、同じ作業を完了するのに数時間かかるという。
検査結果と今後の展望
「表面に多くの損傷があります。」Ham氏は、現場スキャンから生成されたコンピューター画像に表示された多数の明るいオレンジ色のドットとストライプを指し示す。また、赤い長方形で強調表示された小さなひび割れのクラスターも発見した。
Ham氏のチームは、人工知能を使用して分析を洗練させ、例えば検査中に車が通過することによって生じる不規則な振動信号である「ノイズ」をフィルタリングする。エンジニアは、安全評価と将来の修復作業のために、調査結果を橋の監督者に報告する。
「時間と効率の面で優れています。」2019年以来、Ham氏の技術を導入して数十の橋を検査してきたテキサス州運輸局の橋検査コーディネーター、Mark Burwell氏は述べている。検査官が橋の交通量の近くで作業する必要がなくなったため、自動化された検査は、人々を危険から遠ざけることにも役立っていると、彼は付け加えた。
現時点では、Ham氏の「ポータブルMRI」（テキサス州運輸局がフィールドテストのために一部資金を提供）は、テキサス州での橋の検査にのみ利用可能である。 Ham氏は、その展開を拡大することを目指している。それを実現するには、エンジニアがまずイノベーションを完成させる必要がある。
技術開発における課題と将来への期待
Ham氏は、多くの学習の瞬間があったと回想する。あるとき、荒れた走行によりセンサーが外れ、検査ミッションが中断された。（この機械は現在、道路上の障害物を回避するために上下するリフトを装備している。）別の機会には、ソフトウェアがアスファルトパッチで覆われたコンクリート橋からの信号のデコードの複雑さと格闘した。
AIが信号をより良く解釈できるようにするために、Ham氏と彼のチームは、自分たちの研究室を人工的な欠陥の製造拠点に変えた。そこで、エンジニアは金属棒を塩水に浸して腐食を模倣する。また、コンクリートスラブに穴を開けてひび割れを模倣する。これらの人工的な欠陥を検査するためにセンサーとレーダーを適用することにより、エンジニアはさまざまなタイプの損傷に異なる信号を関連付けることができる。
それでも、この機械は、熱によるすべての問題を捉える可能性は低いとHam氏は述べている。例えば、猛暑は橋にストレスを与える可能性があるが、物理的な損傷が発生するまで、この機械はそれを検出できない。
しかし、損傷した橋から収集されたデータは、将来の保護への道を開く可能性があるとHam氏は述べている。なぜなら、異なる方法と材料で建設された橋のひび割れの数を比較することにより、この技術は、規制当局が、より高温の世界に適した構造を設計する方法を決定する上で役割を果たすからである。
「私たちは医者のようなものです。」Ham氏は述べている。「彼らが決断を下すのを手助けすることができます。」
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