Structural assessment of masonry arch bridges by combination of non-destructive testing techniques and advanced numerical modelling

Resumo

The aim of this work is the development of strategies that allow to perform the structural evaluation of masonry arch bridges from data acquired with non-destructive testing technologies (NDT). The research begins with a description of the currently available technologies of potential applicability to masonry bridges, namely, terrestrial laser scanner, ground penetrating radar and operational modal analysis. Then, a review of the different numerical modelling approaches for structural analysis purposes, is also addressed. The core of the work is structured in three main sections. In a first stage, the effect that the precise geometric characterization, obtained by means of the employment of laser scanning technology, has in the prediction of the collapse load of masonry arches is assessed. In a second stage, a procedure for investigation of causes of damage conditions in masonry arch bridges using inverse analysis procedures is proposed. The problem is formulated within the framework of parameter identification problems and is solved through the use of an iterative optimization algorithm. In the last stage, a multidisciplinary approach for the safety condition assessment of masonry bridges is presented. The methodology is developed on the basis of the application to a real case study, in which the above mentioned NDT technologies are used to provide an accurate and detailed information about the external geometry, inner morphology and dynamic response of the bridge. The acquired data are merged and used as a basis for developing a three-dimensional nonlinear finite element model. The model is calibrated resorting to an optimization procedure, which minimizes the differences between the experimental and numerical obtained modal properties (natural frequencies and mode shapes). Posteriorly, different loading scenarios are simulated to investigate the behaviour of the bridge. Finally, a parametric analysis is carried out aiming to investigate the impact that the uncertainties in mechanical properties have upon the prediction of the ultimate failure loads.El objetivo de este trabajo es el desarrollo de estrategias que permitan realizar la evaluación estructural de puentes en arco de fábrica a partir de datos adquiridos con técnicas de ensayos no destructivos (NDT). La investigación comienza con una descripción de las tecnologías actualmente disponibles de potencial aplicabilidad a puentes de mampostería, principalmente, láser escáner terrestre, georadar y análisis modal operacional. A continuación, una revisión de los diferentes métodos de modelización numérica para fines de análisis estructural también es realizada. El núcleo del trabajo se estructura en tres secciones principales. En una primera etapa se investigó el efecto que la caracterización geométrica precisa, obtenida por medio del empleo la tecnología de escaneo láser, tiene en la predicción de la carga de colapso en arcos de mampostería. En una segunda etapa, se propone un procedimiento para la investigación de las causas de las condiciones de daño existentes en puentes de fábrica a través de la aplicación de procedimientos de análisis inversos. La formulación del problema se encuadra dentro del contexto de los problemas de identificación de parámetros y se resuelve mediante el empleo de un procedimiento iterativo basado en algoritmos de optimización. En la última etapa, se presenta un enfoque multidisciplinario para la evaluación del estado de seguridad en puentes arco de fábrica. La metodología se desarrolla a través de la aplicación en un caso de estudio real, en el que las técnicas antes mencionadas (NDT), son empleadas para proporcionar una información precisa y detallada sobre la geometría externa, morfología interna y respuesta dinámica del puente. Los datos adquiridos son fusionados y se emplean como base para el desarrollo de un modelo tridimensional no lineal de elementos finitos. El modelo es calibrado en base a un procedimiento de optimización, que considera la minimización de las diferencias entre las propiedades dinámicas modales (frecuencias naturales y modos de vibración), obtenidas de forma numérica y experimental. Posteriormente, diferentes escenarios de carga son simulados para investigar la respuesta estructural. Por último, un análisis paramétrico es llevado a cabo, con el objetivo de investigar el impacto que las incertidumbres en las propiedades mecánicas de los materiales tienen sobre la predicción de la carga de colapso final.O obxectivo deste traballo é o desenvolvemento de estratexias que permitan realizar a avaliación estrutural de pontes en arco de fábrica a partir de datos adquiridos con técnicas de ensaios non destrutivos (NDT). A investigación comeza cunha descrición das tecnoloxías actualmente dispoñibles de potencial aplicabilidade a pontes de mampostería, principalmente, láser escáner terrestre, xeoradar e análise modal operacional. A continuación, unha revisión dos diferentes métodos de modelización numérica para fins de análise estrutural tamén é realizada. O núcleo do traballo estrutúrase en tres seccións principais. Nunha primeira etapa investigouse o efecto que a caracterización xeométrica precisa, obtida por medio do emprego da tecnoloxía de escaneo láser, ten na predición da carga de colapso en arcos de mampostería. Nunha segunda etapa, proponse un procedemento para a investigación das causas das condicións de dano existentes en pontes de fábrica a través da aplicación de procedementos de análises inversas. A formulación do problema encádrase dentro do contexto dos problemas de identificación de parámetros e resólvese mediante o emprego dun procedemento iterativo baseado en algoritmos de optimización. Na última etapa, preséntase un enfoque multidisciplinario para a avaliación do estado de seguridade en pontes arco de fábrica. A metodoloxía desenvólvese a través da aplicación nun caso de estudo real, no que as técnicas antes mencionadas (NDT), son empregadas para proporcionar unha información precisa e detallada sobre a xeometría externa, morfoloxía interna e resposta dinámica da ponte. Os datos adquiridos son fusionados e empréganse como base para o desenvolvemento dun modelo tridimensional non lineal de elementos finitos. O modelo é calibrado en base a un procedemento de optimización, que considera a minimización das diferenzas entre as propiedades dinámicas modais (frecuencias naturais e modos de vibración), obtidas de forma numérica e experimental. Posteriormente, diferentes escenarios de carga son simulados para investigar a resposta estrutural. Por último, unha análise paramétrico é levado a cabo, co obxectivo de investigar o impacto que as incertezas nas propiedades mecánicas dos materiais teñen sobre a predición da carga de colapso final.