Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/7380

TitleDamage identification on masonry structures based on vibration signatures
Other titlesIdentificação de dano em estruturas de alvenaria baseada na medição de vibrações
Author(s)Ramos, Luís F.
Advisor(s)Lourenço, Paulo B.
Costa, Alfredo Campos
Issue date23-Nov-2007
Abstract(s)Preservation of architectural heritage is considered a fundamental issue in the cultural life of modern societies. In addition to their historical interest, monuments significantly contribute to the economy of cities and countries by providing key attractions. In this context, structural damage identification at an early stage plays an important role for heritage preservation. Damage on masonry structures mainly relates to cracks, foundation settlements, material degradation and displacements. When cracks occur, generally they are localized, splitting the structures in macroblocks. Dynamic based methods to assess the damage are an attractive tool to this type of structures because they are non-destructive methods and are able to capture the global structural behavior. Motivated by the above reasons, this thesis aims at exploring damage in masonry structures at an early stage by vibration measurements. For this purpose, and after a state of the art review, one arch and one wall model were constructed in the laboratory. These replicates of historical constructions were built as reference, undamaged, state. Afterwards, progressive damage was induced and sequential modal identification analysis was performed at each damage stage, aiming at finding adequate correspondence between dynamic behavior and internal crack growth. Comparisons between different techniques based on vibrations measurements were made to evaluate which method is more adequate to identify damage in masonry constructions. The dynamic based methods allowed detecting and locating the damage in the specimens. The different methods were also classified with respect to the damage identification level and a methodology based on the combination of different methods is proposed for damage identification in masonry structures. In order to further apply the conclusions resulting from the analyses in the laboratory tests to real case studies, two monuments in Portugal were also studied: the Clock Tower of Mogadouro and the Church of Jerónimos Monastery, in Lisbon. Vibration sensors, temperature sensors, relative air humidity sensors and wind sensors were installed in the two monuments. Dynamic based analysis was used to estimate the modal parameters, followed by statistical analysis to evaluate the environmental and loading effects on the dynamic response. The aim is to use the dynamic based methods as a part of a health monitoring approach to preserve the historical constructions. A relevant conclusion is that environmental effects are very significant and, if not properly tackled, mask any dynamic damage analysis.
A preservação do património arquitectónico é actualmente um aspecto fundamental das sociedades modernas. Para além do interesse histórico, ao criarem pontos de atracção os monumentos contribuem significativamente para a economia das cidades e dos países. Neste âmbito, a identificação de dano estrutural numa fase inicial torna-se muito importante para a preservação do património. O dano em estruturas de alvenaria caracteriza-se, essencialmente, pela ocorrência de fendas, assentamento das fundações, degradação dos materiais e deformações excessivas. Quando ocorrem fendas, normalmente elas são localizadas e dividem as estruturas em macroblocos. Por serem métodos não-destrutivos e capazes de identificar o comportamento estrutural global, os métodos de identificação de dano baseados na análise dinâmica são muito atractivos para este tipo de estruturas. Em função destas considerações, a presente tese tem como objectivo a identificação de dano em estruturas de alvenaria ainda num estado muito inicial. Para esse fim e após uma revisão do estado da arte, foram estudados em laboratório dois modelos à escala reduzida, nomeadamente um arco e uma parede. Em ambos os modelos foram aplicados cenários de dano progressivo. Para o estado inicial e para cada cenário de dano foram realizadas identificações dinâmicas para estudar a relação entre a progressão do dano e a variação da resposta dinâmica. Vários métodos de identificação de dano foram utilizados com o intuito de avaliar qual ou quais métodos são mais adequados para a identificação de dano em estruturas de alvenaria. A partir dos métodos dinâmicos foi possível identificar o dano nos modelos. Os diferentes métodos foram ainda classificados de acordo com o nível de identificação e uma metodologia de análise baseada na combinação de alguns métodos foi proposta para identificar o dano em estruturas de alvenaria. Tendo em vista aplicar em casos reais o conhecimento adquirido nos testes laboratoriais, dois monumentos em Portugal foram estudados: a Torre do Relógio em Mogadouro e a Igreja do Mosteiro dos Jerónimos em Lisboa. Foram instalados nos monumentos sensores de vibração, temperatura, humidade, deformação e vento. As propriedades modais das estruturas foram medidas experimentalmente e os efeitos dos parâmetros ambientais foram avaliados por intermédio de uma análise estatística. O objectivo final é possibilitar a utilização de métodos baseados na medição de vibrações como parte do plano de monitorização e manutenção dos monumentos. Uma conclusão relevante é que os parâmetros ambientais têm um efeito significativo na resposta dinâmica da estruturas, sendo necessário avaliá-los convenientemente para ser possível a identificação de dano.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento em Engenharia Civil - Estruturas
URIhttp://hdl.handle.net/1822/7380
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
CEC-EST - Teses de Doutoramento

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