Tesis de doctorado (Doctoral Thesis)
Damage Detection Methods in Bridges through vibration monitoring: Evaluation and Application
Universidade do Minho, Guimaraes, Portugal
Noviembre, 2008.
RESUMEN
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.
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.
RESUMO
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.
Tesis de maestría (Master Thesis)
Desarrollo de un Procedimiento para la Definición de Factores de Carga para Puentes en México
Development of a Procedure for the Establisment of Load Factors in Mexican Bridges
National Autonomous University of Mexico (UNAM)
Diciembre 1999
RESUMEN
Esta tesis revisa los modelos de carga viva y los factores de carga y resistencia del reglamento AASHTO comúnmente usados en los diseños de puentes en México, con el fin de modificarlos conforme a las características del tránsito local y los tipos de puentes más empleados. Se presenta un procedimiento para definir un modelo de carga viva vehicular basado en los procedimientos de la teoría de confiabilidad en la que el comportamiento estructural de un puente es medido en términos de su confiabilidad o probabilidad de falla. Se propone un modelo de carga formulado de tal manera que las estructuras diseñadas usando este modelo tengan un nivel de seguridad consistente y uniforme. Los factores de carga y resistencia se obtienen de tal manera que la confiabilidad de los puentes diseñados usando las estipulaciones propuestas estén en un predefinido nivel objetivo.
ABSTRACT
This thesis reviews the live load model and the load and resistance factors proposed by the AASHTO LRFD (1994) commonly used for bridge design in Mexico, with the purpose to modify them to be consistent with the characteristics of the local traffic and the most common types of bridges. A procedure to define a vehicular live load model is presented. The procedure is based in the methods of reliability theory in which bridge behavior is measured in terms of its reliability or probability of failure. The proposed load model is formulated under the assumption that all structures designed with this model have a reliability level consistent and uniform. The load and resistance factors are obtained in such a way that the reliability of the bridges designed with the proposed model complies with a predefined target level.
XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, León, Gto, México, Noviembre, 2010.
simulacion dinámica de puentes agrietados
Dynamic Simulation of Cracked Bridges
Autores: Rolando Salgado Estrada, Jesús M. Santamaría López y A. Gustavo Ayala Milián
RESUMEN
En este trabajo, se realiza la evaluación de tres métodos para la obtención del comportamiento dinámico de estructuras agrietadas. Estos métodos presentan diferencias notables en cuanto a simplicidad, exactitud y aplicabilidad. Por lo cual se evalúa su eficiencia para la detección de escenarios de daño simulados en puentes de sección compuesta (vigas de acero losa de concreto). Los resultados indican claramente la sensibilidad que tienen los métodos analizados a pequeños cambios en la respuesta dinámica simulada. Este efecto puede provocar que no se detecte el daño cuando existe en el puente o causar una falsa detección cuando éste no existe.
ABSTRACT
In this paper, the performance evaluation of three dynamic simulation methods for cracked beams is carried out. These methods have large variations related to their simplicity, accuracy and applicability. Subsequently, the efficiency of these methods is evaluated for the detection of simulated damage scenarios in composite concrete-steel bridges. Results clearly indicate the sensitivity of the evaluated methods to small changes in the simulated dynamic response. This fact may lead to no damage detection, when it is present in the bridge, or false detection, when it does not exist.
XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Aguascalientes, Ags., México, Noviembre, 2011
Evaluación de Métodos de Detección de Daño en Estructuras mediante el uso de vibraciones
Assessment of Vibration based damage detection methods in Structures
Autores: Alberto Renán Ancona Lazcano, Rolando Salgado Estrada, Sergio Aurelio Zamora Castro y Fernando Marcial Martínez
RESUMEN
En este trabajo, se realiza la evaluación de tres métodos para la obtención del comportamiento dinámico de estructuras agrietadas. Estos métodos presentan diferencias notables en cuanto a simplicidad, exactitud y aplicabilidad. Por lo cual se evalúa su eficiencia para la detección de escenarios de daño simulados en puentes de sección compuesta (vigas de acero losa de concreto). Los resultados indican claramente la sensibilidad que tienen los métodos analizados a pequeños cambios en la respuesta dinámica simulada. Este efecto puede provocar que no se detecte el daño cuando existe en el puente o causar una falsa detección cuando éste no existe.
ABSTRACT
In this paper, the performance evaluation of three dynamic simulation methods for cracked beams is carried out. These methods have large variations related to their simplicity, accuracy and applicability. Subsequently, the efficiency of these methods is evaluated for the detection of simulated damage scenarios in composite concrete-steel bridges. Results clearly indicate the sensitivity of the evaluated methods to small changes in the simulated dynamic response. This fact may lead to no damage detection, when it is present in the bridge, or false detection, when it does not exist.
XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Aguascalientes, Ags., México, Noviembre, 2011
Evaluación Estructural de Puentes mediante el uso de vibraciones
Structural Assessment of bridges through vibration monitoring
Autores: Meir Samuel Molina Menache, Rolando Salgado Estrada, Jesús M. Santamaría López y Marco O. Vigueras Zúñiga
RESUMEN
En este trabajo se propone una metodología para la evaluación estructural de puentes mediante el uso de vibraciones. Para lo cual se realizan simulaciones del comportamiento dinámico de puentes agrietados. Posteriormente, mediante sus parámetros dinámicos, se determina si la estructura se encuentra dañada o no. A continuación se determina el nivel de seguridad del puente. Si este nivel de seguridad es menor que un nivel de seguridad objetivo, el puente requerirá ser reparado y rehabilitado. En caso contrario, se determinará la restante vida de servicio del puente. Es evidente que el método propuesto ofrece mejores resultados que los métodos tradicionales.
ABSTRACT
This article proposes a methodology for the structural evaluation of bridges using its dynamic response. To accomplish this, simulations of the dynamic behavior of bridges are performed. Subsequently, using its dynamic parameters it is determined if the structure is damaged or not. Then, it is determined the safety level of the bridge using structural reliability techniques. Finally, if this safety level is less than a target one, the bridge will need to be repaired and rehabilitated. Otherwise, it will determine the remaining service life of the bridge. It is evident that the proposed procedure offers better results than traditional ones.
XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Acapulco, Gro., México, Noviembre, 2012
Detección de Daño en Puentes mediante un modelo experimental
Assessment of Damage Detection in Bridges through a scaled model
Autores: Samuel M. Molina Menache, Rolando Salgado Estrada, Sergio A. Zamora Castro, Elsa G. Lagunes Lagunes y Marco O. Vigueras Zúñiga
RESUMEN
En este trabajo se presentan los resultados preliminares de estudios dinámicos realizados sobre un modelo a escala de un puente para fines de detección de daño. Para este fin se pretende aplicar varios métodos de detección de daño basado en vibraciones a partir de la respuesta dinámica obtenida, tanto de un análisis modal experimental como de un modelo numérico, ambos ensayados ante diferentes escenarios de daño. Los resultados encontrados en este trabajo permitirán realizar una propuesta de un procedimiento que permita la determinación de un método más racional para evaluar el comportamiento estructural de puentes.
ABSTRACT
This paper presents the preliminary results of dynamic studies carried out in a model scale bridge for the purpose to detect structural damage. To do that it is considered to apply several vibration based damage detection methods using the dynamic response from experimental tests and from a numerical model, both using several damage scenarios. The results found in this work will allow us to propose a procedure to determine a more rational method to evaluate the structural behavior of bridges.
V International Operational Modal Analysis Conference IOMAC 2013
V Congreso Internacional en Análisis Modal Operacional 2013
Structural evaluation of bridges through vibration monitoring: a new proposal
Evaluación Estructural de Puentes mediante vibraciones: una nueva propuesta
Autores: Rolando Salgado Estrada, Sergio A. Zamora Castro y Ulises Zúñiga Velasco
RESUMEN
Una importante parte del costo operacional radica en su mantenimiento correctivo. Por este motivo, resulta imperativo tener procedimientos para la evaluación estructural de puentes más precisos. Para realizar esto, se requiere el empleo de varios métodos de detección de daño basados en vibraciones. Estos métodos han demostrado ser mejores que los métodos tradicionales. Sin embargo, hasta ahora no se ha propuesto un procedimiento racional que nos determine la integridad estructural del puente en cualquier momento y con gran precisión. En este estudio, con el objetivo de proponer un método más racional de evaluación de puentes, se llevaron a cabo ensayos dinámicos ambientales sobre un modelo a escala de un puente (malla metálica) ante diferentes escenarios de daño. Usando métodos basados en vibraciones, se identificó y localizó el daño mediante la comparación de los parámetros dinámicos antes y después de introducir el daño en el modelo a escala. Los resultados encontrados en este trabajo permitirán tener un procedimiento que optimice el proceso de detección de daño resultado en un método más racional para evaluar el comportamiento estructural de puentes.
ABSTRACT
An important part of the operating costs of existing bridges lies in their corrective maintenance. For this reason, it is imperative to have more precise structural evaluation procedures in bridges. To do that, several damage detection methods based on vibration monitoring have been applied. These methods have showed better performance than traditional ones. However, up to now, it has not been proposed a comprehensive procedure that can give us the structural integrity of the bridge at any time and with high precision. In this research, trying to propose a more rational method to evaluate bridges, AVT on one scale model of a bridge (a steel mesh structure) was carried out with different damage scenarios. Using vibration based damage detection methods, a comparison of the dynamic parameters before and after damage was done for localising and identifying damage in the scale models. Moreover, it was evaluated the proposed comprehensive method for detecting the induced damages. The results found in this work makes possible to have a procedure that optimizes the process of damage detection giving a more rational method to evaluate the structural behaviour of bridges.
Peer-reviewed paper in American Journal of Civil Engineering, 2014
Artículo arbitrado en Revista Americana de Ingeniería Civil
Evaluación de métodos de detección de daño utilizados en puentes por medio de pruebas dinámicas en vigas metálicas
Autores: Rolando Salgado Estrada, Paulo J.S. Cruz, Gustavo Ayala y Sergio A. Zamora
ABSTRACT
In this document, the performance of damage detection methods used for the evaluation of bridge structures was determined. To do that, these methods were applied to the experimental dynamic parameters obtained from cracked steel I beams. Different damage scenarios were simulated in the steel I beams through saw-cuts perpendicular to the longitudinal axis of the beams. The damage detection methods were evaluated under different damage scenarios tried to represent fatigue damage in bridge structures. Ambient vibration tests, before and after damage, were performed on analyzed beams and the obtained dynamic parameters were used for the damage detection procedure. For all the evaluated scenarios, only the first three mode shapes were taken into account. Results indicated high possibility of damage detection when the severity of damage increase, damage is close to a measuring point and far away from an inflexion point and/or the boundary conditions. It was found that Level I methods (just detection) are not confidence to detect damage. On the other hand, level II methods (location) had good performance for the most severe damage scenarios. It was found out that Wavelet based methods are the best choice for their application to bridge structures.
Peer-reviewed Paper in Case studies in non-destructive testing and evaluation journal, 2014
Artículo arbitrado en revista Casos de estudio en pruebas no destructivas y evaluación
Serviceability assessment of the Góis footbridge using vibration monitoring
Evaluación del nivel de servicio del puente peatonal de Góis mediante el monitoreo de vibraciones
Autores: Rolando Salgado, Jorge M. Branco, Jorge P.S. Cruz y Gustavo Ayala
ABSTRACT
Footbridges are structures that may experience vibration amplification problems caused by pedestrian and/or wind actions. Design codes deal with these phenomena limiting the natural frequencies and the maximum accelerations expected. Aiming at taking into consideration these dynamic phenomena, current procedures to evaluate the structural performance of light-weight bridges based on experimental dynamic analysis are evaluated in this study. To achieve this, the dynamic response of three pedestrians walking, running and jumping was obtained. Maximum comfort limits of dynamic responses were then determined. The results indicate that codes could overestimate the level of vibration in this kind of footbridge.
XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Mérida. Yuc., México, Noviembre, 2016
Determination of the structural health of buildings – Fourier Analysis vs Operational Modal Analysis
Autores: Gerardo Zamora López, Gustavo Ayala Milián y Rolando Salgado Estrada
RESUMEN
En este artículo se presentan los fundamentos y resultados del Análisis de Fourier y de cuatro técnicas diferentes del Análisis Modal Operacional (OMA): PP, FDD, EFDD y SSI; aplicadas a los registros obtenidos de dos edificios de concreto reforzado y a un balcón superior de un teatro. En cada caso se estimaron las frecuencias propias, sus correspondientes formas modales y las fracciones de amortiguamiento crítico, de los resultados obtenidos se discuten las fortalezas y debilidades de ambos métodos de análisis, así como con cuál de ellos se obtienen los mejores resultados en beneficio de la evaluación de la salud estructural de estructuras existentes.
ABSTRACT
This paper discusses the fundamentals and results of Fourier analysis and four different techniques of Operational Modal Analysis (OMA): PP, FDD, EFDD and SSI; applied to records obtained from two reinforced concrete buildings and an upper balcony of a theater. In each case the natural frequencies, corresponding mode shapes and fractions of critical damping, are obtained and the strengths and weaknesses of both methods of analysis are discussed, as well as which of them leads to the best results for the benefit of the evaluation of the structural health of existing structures.
Peer-reviewed Paper in Portuguese Journal of Structural Engineering, 2017
Artículo arbitrado en la revista portuguesa de Ingeniería Estructural
Avaliação estrutural de vigas de betão armado reforçadas com lâminas CFRP por sua resposta dinâmica
Evaluación estructural de vigas de concreto reforzadas con láminas de fibras de carbono CFRP por su respuesta dinámica
Autores: Rolando Salgado, Gustavo Ayala y José G. Rangel
ABSTRACT
This paper addresses the location and detection of damage on concrete beams strengthened with CFRP laminates through their dynamic response. For this purpose, three beams with different CFRP strengthening were tested to failure with ambient vibration tests, AVTs, performed before and after damage. Several vibration based damage detection methods were applied to the modal parameters and acceleration histories acquired on the beams evaluating their effectiveness to locate and detect damage with a limited number of measuring points. Finite element models of the beams with properties calibrated with the modal parameters determined from the AVTs were used for calculating their dynamic responses and evaluating the damage detection methods. Results showed that dynamic behaviour of strengthened beams with CFRP laminates does not change significantly compared with no strengthened beam. Moreover, damage was detected when was chosen a denser number of measuring points from the finite element models for all evaluated methods.
RESUMO
Este trabalho aborda a localização e deteção de danos em vigas de betão armado reforçadas com lâminas de CFRP através de sua resposta dinâmica. Para este fim, foram testadas três vigas com reforço de CFRP diferente, com ensaios de vibração ambiental realizados antes e após o dano. Vários métodos de deteção de danos baseados em vibrações foram aplicados aos parâmetros modais e acelerações adquiridos nas vigas avaliando a sua eficácia para localizar e detetar danos com um número limitado de pontos de medição. Modelos de elementos finitos das vigas com propriedades calibradas com os parâmetros modais determinados a partir dos ensaios de vibração ambiental foram utilizados para calcular as suas respostas dinâmicas e avaliar os métodos de deteção de dano. Os resultados mostraram que o comportamento dinâmico de vigas reforçadas com lâminas de CFRP não se altera significativamente em comparação com vigas sem reforço. Além disso, os danos foram detetados quando foi escolhido um número mais denso de pontos de medição a partir dos modelos de elementos finitos para todos os métodos avaliados.
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