Damage detection methods in bridges through vibration monitoring : evaluation and application

Abstract

In this thesis, a detailed analysis of the most important vibration-based damage detection methods applied to bridge structures is addressed. Special attention is focused on those methods capable to detect damage only with information provided from a damage stage of the structure. For that purpose, methods based on wavelet analysis, curvature of the mode shapes and changes in the flexibility and stiffness matrices of the structure methods are selected. These methods are easy to implement to bridge structures for its on-line structural evaluation or for its evaluation at different damage stages. The selected damage detection methods are evaluated under three different cases: (1) damage scenarios are simulated on numerical methods for cracked beam structures; (2) experimental tests are carried out in the laboratory with metallic and concrete beams strengthened with CFRP laminates; (3) real-scale bridge structures are tested under different damage scenarios. To do an accurate simulation of the dynamic behaviour of cracked bridges, some of these methods are investigated and evaluated on beams with rectangular cross sections. Later, the methods are generalized to be applicable to more complex structures, like bridges, and to other cross sections, as in composite bridges. From the research done here, it is concluded that the performance of the damage detection methods depends of several factors, for example, the number of sensors located near the damage zones, level of noise present in the acquired dynamic response, location, extension and severity of the damage. Finally, it is recommended to do the process of damage identification in the bridge using the selected group of damage detection methods where successful damage detection is obtained when more than one method clearly indicates damage.

Na presente dissertação é apresentada uma análise comparativa detalhada da eficácia de métodos de detecção de dano em pontes. Uma atenção especial é dada aos métodos baseados, exclusivamente, na resposta dinâmica da estrutura danificada. Para este efeito são escolhidos os métodos baseados na análise de “wavelets”, na curvatura das formas modais e na modificação da matriz de flexibilidade ou de rigidez da estrutura. Estes métodos são de fácil implementação em pontes, tanto nos cases em que ser requer uma monitorização contínua do comportamento da estrutura como nos que é suficiente a obtenção de valores em fases discretas da vida útil das mesmas. Os métodos utilizados são avaliados em três situações distintas: (1) a introdução de cenários de dano em modelos numéricos de estruturas fissuradas; (2) a realização de ensaios experimentais em laboratório, em vigas metálicas e em vigas de betão armado reforçadas com lâminas de material compósito (CFRP); (3) a realização de ensaios dinâmicos em pontes de betão e madeira, sob diferentes cenários de dano. Para uma simulação apropriada do comportamento dinâmico de pontes fissuradas, alguns dos métodos existentes são investigados e avaliados em vigas com secções transversais rectangulares. Posteriormente, estes métodos são generalizados para ser aplicáveis a estruturas com secções transversais mais complexas, nomeadamente pontes de secções mistas aço-betão. Dos estudos realizados concluiu-se que a eficácia de detecção de dano dos métodos estudados depende de vários factores, como por exemplo: o número de sensores próximo da zona danificada; o nível de ruído da resposta dinâmica utilizada; a localização, extensão e intensidade do dano. Finalmente, recomenda-se fazer o processo de identificação de dano na ponte usando o grupo escolhido de métodos de detecção de dano onde uma detecção bem sucedida é obtida quando mais de um método detecta claramente o dano.

En esta tesis se realiza un análisis detallado de la eficacia de los más importantes métodos de detección de daño aplicados a la respuesta dinámica de puentes. Una atención especial es considerada a los métodos capaces de detectar daño con únicamente la información obtenida de la estructura dañada. Para el análisis de evaluación, son seleccionados los métodos basados en análisis de “wavelets”, en la curvatura de las formas modales y en el cambio de las matrices de flexibilidades y rigideces de la estructura. Estos métodos son elegidos debido a que pueden ser fácilmente implementados en puentes, ya se requiera una monitorización continua ó a través de fases discretas durante la vida útil de las mismas. Los métodos seleccionados son evaluados bajo tres diferentes casos: (1) la introducción de escenarios de daño en modelos numéricos de estructuras agrietadas; (2) la realización de ensayos experimentales en vigas metálicas y de concreto reforzadas con láminas de fibra de carbono (CFRP); (3) la realización de ensayos dinámicos en puentes ante diferentes escenarios de daño. Para una simulación más precisa del comportamiento dinámico de puentes agrietados, se investigan y evalúan algunos de estos métodos en vigas de sección transversal rectangular. Más adelante, estos métodos se generalizan para ser aplicables a estructuras más complejas como puentes y a otro tipo secciones transversales, como en puentes de sección compuesta. De estos estudios realizados, se concluye que la eficacia de los métodos de detección de daño evaluados depende de varios factores, por ejemplo: el número de sensores próximo de la zona dañada; el nivel de ruido de la respuesta dinámica adquirida; la localización, extensión e intensidad del daño. Finalmente, se recomienda hacer el proceso de identificación de daño del puente utilizando el grupo seleccionado de métodos de detección del daño donde una detección adecuada se obtiene cuando más de un método indica claramente el daño.