An innovative SHM solution for earthquake- induced damage identification in historic masonry structures

Abstract

O principal objetivo deste trabalho de investigação dizia respeito ao desenvolvimento e validação de uma metodologia inovadora para a deteção, localização e quantificação de danos causados por sismos em estruturas históricas de alvenaria. A metodologia proposta, designado por DORI, baseia-se na combinação de métodos baseados em dados e métodos inovadores baseados em modelos, abordando a identificação de dano com base na análise modal operacional (OMA), modelação rápida de substitutos e análise dinamica incremental (IDA) para edifícios de alvenaria do Património Cultural (CH) sujeitos a sismos. Mais detalhadamente, a metodologia DORI propõe a fusão de dados estáticos e dinamicos no método de deteção de dano baseado em OMA e estende a OMA através da introdução e implementação de dois métodos inovadores independentes e complementares baseados em modelos, para localização e quantificação de danos induzidos por sismos em construções históricas de alvenaria com monitorização permanente: o primeiro método é baseado num modelo substituto, uma ferramenta rápida que combina dados de monitorização de vibração a longo prazo (ou seja, OMA) e a modelação numérica, enquanto o segundo método é baseado em IDA não linear sísmica. A Tese está focada na validação de diferentes aspetos da metodologia DORI, através da aplicação a quatro estruturas que servem de casos de estudo: uma estrutura de alvenaria ensaiada em laboratório e reconhecida internacionalmente, designada por Brick House, e tres edifícios de alvenaria de CH equipados com sistemas permanentes de monitorização de saúde estrutural, nomeadamente o Palácio de Consoli, a Torre Sciri e a Torre sineira de San Pietro. Em conclusão, a metodologia DORI proposta nesta Tese para deteção, localização e quantificação de danos induzidos por sismos é uma nova abordagem metodológica, aplicada e validada com sucesso em estruturas históricas de alvenaria, constituindo uma ferramenta promissora para a rápida avaliação de danos pós-sismo das estruturas de CH sob monitorização SHM a longo prazo.

The main objective of this research work concerned the development and validation of an innovative methodology aimed at the detection, localization and quantification of earthquake-induced damages in historic masonry structures. The high cultural, economic and political value set upon historic buildings spread out all over the world has made the earthquake-induced damage identification, as well as preservation and conservation of architectural heritage, a subject of outstanding importance. The proposed methodology, called DORI, is based on the combination of data-driven, as well as innovative model-based methods, addressing the Damage identification based on Operational modal analysis (OMA), Rapid surrogate modeling and Incremental dynamic analysis (IDA) for Cultural Heritage (CH) masonry buildings subjected to earthquakes. More in detail, the DORI methodology proposes the static-and-dynamic data fusion in the OMA-based damage detection method, and extends it through the introduction and implementation of two independent and complementary innovative model-based methods, for localization and quantification of earthquake-induced damage in permanently monitored historic masonry buildings: the former is a surrogate model-based method, a rapid tool which combines long-term vibration monitoring data (i.e. OMA) and numerical modeling, while the latter is based on non-linear seismic IDA. The Thesis focuses on the validation of different aspects of the DORI methodology, through application to four case study structures: an internationally well-known laboratory masonry structure, called the Brick House, and three CH masonry buildings equipped with permanent Structural Health Monitoring systems, namely the Consoli Palace, the Sciri Tower and the San Pietro Bell Tower. In conclusion, the DORI methodology proposed for earthquake-induced damage detection, localization and quantification is a novel methodological approach, successfully applied and validated in historic masonry structures, constituting a promising tool for rapid post-earthquake damage assessment of CH structures under long-term SHM monitoring.