«Κάθε φορά που οδηγείς, θες δεν θες, περνάς από κάτω ή πάνω από μια διαβρωμένη γέφυρα», λέει στο Dnews ο αναπληρωτής καθηγητής πολιτικής και περιβαλλοντικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ, Σίμος Γερασιμίδης και συνεχίζει: «Γέφυρες συναντάς παντού. Είναι αδύνατο να τις αποφύγεις και το κακό είναι ότι η κατάστασή τους συχνά επιδεινώνεται σημαντικά. Γνωρίζουμε τους αριθμούς». Και φυσικά ο καθηγητής δεν αναφέρεται μόνο στις ΗΠΑ, καθώς το φαινόμενο είναι παγκόσμιο.
Η χώρα μας για παράδειγμα, σύμφωνα με την τελευταία εκτίμηση της διαΝΕΟσις, διαθέτει περίπου 17.000 γέφυρες, οι περισσότερες από τις οποίες έχουν ξεπεράσει το προσδόκιμο όριο ζωής τους ή δεν συντηρούνται. Ποιος δεν θυμάται την ιστορική γέφυρα του Κερίτη στην Κρήτη, που κατέρρευσε μετά από έντονη κακοκαιρία πριν λίγα χρόνια ή τη γέφυρα στην Καβάλα που έπεσε μετά τη διέλευση ενός γερανοφόρου, αλλά και στη Γένοβα της Ιταλίας, τη γέφυρα Μοράντι που κατέρρευσε παρασύροντας στα νερά του ποταμού Πολσεβέρα 43 ανθρώπους.
Στις ΗΠΑ, σύμφωνα με την Έκθεση Αναφοράς για τις Υποδομές της Αμερικής για το 2025 της Αμερικανικής Εταιρείας Πολιτικών Μηχανικών, το 49,1% των 623.218 γεφυρών συνολικά, βρίσκονται σε «μέτρια» κατάσταση και το 6,8% σε «κακή». Περίπου το 9% των 5.295 γεφυρών της Μασαχουσέτης είναι δομικά ελαττωματικές και χρειάζονται επισκευή, μια ανάγκη που ξεπερνά κατά πολύ τη διαθέσιμη χρηματοδότηση. Το προβλεπόμενο κόστος για την αποκατάσταση όλων αυτών των γεφυρών που έχουν υποστεί βλάβη υπερβαίνει τα 191 δισεκατομμύρια δολάρια.
Ιδανικό θα ήταν να μπορούσε κάποιος να επισκευάσει αυτές τις γέφυρες επί τόπου, με το μικρότερο κόστος, χωρίς να διαταράξει την κυκλοφορία και φυσικά, χωρίς να ταράξει τα νεύρα των οδηγών.
Αυτό φαίνεται πως σκέφτηκε ο καθηγητής Γερασιμίδης, για αυτό μαζί με μια ερευνητική ομάδα από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών (MechE) του MIT και σε συνεργασία με το Υπουργείο Μεταφορών της Μασαχουσέτης (MassDOT), δοκίμασαν πιλοτικά κάτι πρωτοποριακό. Εφάρμοσαν σε μια παλιά γέφυρα με σημαντική διάβρωση ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο μεταλλικό «έμπλαστρο»!
Ναι καλά διαβάσατε. Η δοκιμαστική αυτή επισκευή στηρίχτηκε σε μια καινοτόμο τεχνική 3D εκτύπωσης που ονομάζεται ψυχρός ψεκασμός (cold spray) και εφαρμόστηκε στην κόκκινη γέφυρα, παλαιότερα γνωστή ως «Καφέ Γέφυρα», η οποία τα τελευταία 76 χρόνια διασχίζει τον ποταμό Χουσατόνικ, στο Γκρέιτ Μπάρινγκτον της Μασαχουσέτης.
Η πιλοτική αυτή εφαρμογή του μεταλλικού «έμπλαστρου» ήταν η πρώτη στο είδος της επίδειξη απόδειξης της ιδέας, που θα μπορούσε να μειώσει το κόστος επισκευής και συντήρησης κρίσιμων υποδομών, αλλά και τις διαταραχές στην κυκλοφορία.
«Τώρα που ολοκληρώσαμε την επισκευή και αποδείξαμε την ιδέα διαφαίνεται μια σαφής πορεία προς μια πολύ ταχύτερη, λιγότερο δαπανηρή, ευκολότερη και λιγότερο επεμβατική λύση», σχολιάζει ο Έλληνας μηχανικός. «Από όσο γνωρίζουμε, είναι η πρώτη φορά που γίνεται κάτι τέτοιο, αλλά υπάρχει ακόμη πολλή έρευνα μπροστά μας. Ωστόσο, δεν παύει να είναι ένα τεράστιο ορόσημο».
Η γνώση εμπλουτίζει την εμπειρία
Ο Έλληνας μηχανικός και η ομάδα του μελετούν τη φθορά των γεφυρών και συνεργάζονται με το Υπουργείο Μεταφορών της Μασαχουσέτης και άλλων πολιτειών εδώ και περίπου μια δεκαετία.
«Γνωρίζουμε το πρόβλημα αρκετά καλά», λέει. «Έχουμε δει χιλιάδες αναφορές επιθεώρησης, έχουμε πάει σε πολλές γέφυρες, έχουμε δοκιμάσει πολλές δοκούς στο εργαστήριό μας, οπότε γνωρίζουμε πώς συμπεριφέρονται αυτές οι υποδομές και που ακριβώς πρέπει να επέμβουμε».
Σύμφωνα με τον καθηγητή, η τεχνική ψυχρού ψεκασμού της προσθετικής κατασκευής (τρισδιάστατη εκτύπωση) περιλαμβάνει τον ψεκασμό σωματιδίων μεταλλικής σκόνης υψηλής ταχύτητας για την επικάλυψη τμημάτων της δοκού της γέφυρας. Με άλλα λόγια η διαδικασία επιταχύνει κόκκους του χάλυβα σε συμπιεσμένο αέριο και στη συνέχεια ο τεχνικός χρησιμοποιεί έναν εφαρμοστή για να ψεκάσει τον χάλυβα στη δοκό. Οι επαναλαμβανόμενοι ψεκασμοί δημιουργούν πολλαπλά μεταλλικά στρώματα, αποκαθιστώντας το πάχος και άλλες δομικές ιδιότητες.
Αυτή η μέθοδος έχει αποδειχθεί αποτελεσματική λύση για άλλες μεγάλες κατασκευές όπως υποβρύχια, αεροπλάνα και πλοία, αλλά τώρα εφαρμόζεται για πρώτη φορά σε γέφυρα. Οι γέφυρες παρουσιάζουν μοναδικές προκλήσεις, τόσο γιατί έχουν μεγάλο μέγεθος, όσο και γιατί ο τρισδιάστατος εκτυπωτής πρέπει να μεταφερθεί στο εργοτάξιο.
«Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής είναι ότι οι επισκευές μπορούν να γίνουν επί τόπου και με ολιγόλεπτη έως καθόλου διακοπή της κυκλοφορίας, που είναι πολύ σημαντικό αν σκεφτεί κάποιος την ταλαιπωρία που τραβούν οι οδηγοί κάθε φορά που γίνονται επισκευές σε μια γέφυρα και σταματάει η κυκλοφορία για σημαντικό χρονικό διάστημα. Η τεχνική μας επιτρέπει την επισκευή της γέφυρας σε πραγματικό χρόνο ενώ τα οχήματα συνεχίζουν να τη διασχίζουν», εξηγεί ο καθηγητής Γερασιμίδης.
Εντοπίζοντας με ακρίβεια τη διάβρωση της υποδομής
Μια καινοτομία στο συγκεκριμένο έργο είναι η εφαρμογή μεθόδων σάρωσης 3D LiDAR που αντικαθιστούν τις χρονοβόρες υποκειμενικές οπτικές αξιολογήσεις με ένα αυτοματοποιημένο σύστημα. Η πρωτοπόρος προσέγγιση συνδυάζει τρισδιάστατη σάρωση με λέιζερ και συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα (που έχουν σχεδιαστεί για την αναγνώριση και ταξινόμηση εικόνων) για την ακριβή αξιολόγηση διαβρωμένων χαλύβδινων γεφυρών. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να εντοπίζουν με ακρίβεια τη διάβρωση της υποδομής, να αναπτύσσουν ένα ψηφιακό σχέδιο επισκευής και να εναποθέτουν το υλικό μόνο εκεί όπου είναι απαραίτητο.
«Συνδυάζοντας τη σάρωση με την ακριβή εναπόθεση υλικού δουλεύουμε στοχευμένα και μπορούμε να πούμε πως “θα εκτυπώσουμε εδώ και εδώ και εδώ και θα δώσουμε σε αυτή τη γέφυρα άλλα 10 ή 20 χρόνια ζωής”, κάτι που είναι τεράστιο», προσθέτει ο κ. Γερασιμίδης.
Είναι αξιοσημείωτο ότι η παραπάνω μέθοδος περιγράφηκε από τους Σίμο Γερασιμίδη και Chengbo Ai σε εργασία με τίτλο: Structural integrity of aging steel bridges by 3D laser scanning and convolutional neural networks (Δομική ακεραιότητα γερασμένων χαλύβδινων γεφυρών με τρισδιάστατη σάρωση λέιζερ και συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα), και επιλέχθηκε από τους συντάκτες του περιοδικού Communication Engineering ανάμεσα στις 14 καλύτερες του 2024.
«Η ενσωμάτωση ψηφιακών συστημάτων με προηγμένη φυσική επεξεργασία είναι το μέλλον των υποδομών», λέει ο καθηγητής. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που μεταφέραμε αυτήν την τεχνολογία έξω από το εργαστήριο, στο πεδίο και είμαστε ευγνώμονες στους συνεργάτες μας που κατέστησαν δυνατή αυτή την εργασία».
Η ομάδα τώρα εργάζεται ενεργά για την κατοχύρωση της ευρεσιτεχνίας της εφαρμογής καθώς παρουσιάζει σημαντικές προοπτικές ευρύτερης αξιοποίησης σε διεθνές επίπεδο.
Η κόκκινη γέφυρα έχει προγραμματιστεί να κατεδαφιστεί σε λίγα χρόνια. Μετά την κατεδάφιση η ομάδα του καθηγητή θα μεταφέρει τις ψεκασμένες δοκούς πίσω στο εργαστήριό της για να ελέγξει πόσο επιτυχημένα προσκολλήθηκε πάνω τους η χαλύβδινη σκόνη επί τόπου, συγκριτικά με ένα ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον ή αν διαβρώθηκαν περαιτέρω μετά τον ψεκασμό τους, και να αξιολογήσει τις μηχανικές τους ιδιότητες και κυρίως την αντοχή τους.
Η τεχνολογία που προτείνουν ο καθηγητής και η ομάδα του, από την ψηφιακή επιθεώρηση γεφυρών έως τις τρισδιάστατες εκτυπωμένες επισκευές, εξετάζεται πλέον σοβαρά από πολλές χώρες όπως η Γερμανία, η Ιταλία, η Γαλλία και η Ινδία, που επιθυμούν να βελτιώσουν τη διαχείριση και συντήρηση των γεφυρών τους.
Η δυναμική της είναι εξαιρετικά υποσχόμενη και για την Ελλάδα, όπου οι υποδομές —και ειδικά οι γέφυρες— παρουσιάζουν αυξημένες ανάγκες για σύγχρονες, τεχνολογικά προηγμένες λύσεις συντήρησης και αποκατάστασης.
«Ήδη συνεργαζόμαστε με φορείς σε όλο τον κόσμο και θα ήμασταν ενθουσιασμένοι να έρθουμε σε επαφή με αντίστοιχους ελληνικούς οργανισμούς για την πιθανή εφαρμογή της τεχνολογίας και στη χώρα μας», τονίζει ο καθηγητής Γερασιμίδης.
*Photo Credit: Alexia Cotta/UMass Amherst
