Structural diagnosis of masonry heritage : contributions to non-destructive testing, structural health monitoring and risk assessment.

Abstract

Many cultural heritage sites across the globe consist of masonry structures. To ensure the preservation of such structures, an accurate evaluation of their current structural condition is often of utmost importance. However, recurrent uncertainties regarding material properties and the complex interaction among structural elements often makes this a challenging task. As a consequence, there has been a considerable research effort on the development of methods and tools that can facilitate this task, and experts responsible for the evaluation of unique masonry structures usually need to weigh information from various diagnosis activities before deciding the best course of action for preservation. In a first instance, the research work presented in this thesis contributes to the enhancement of some key methods for the analysis of masonry structures. Specific topics dealing with materials testing, full-scale vibration testing, and static structural health monitoring (SHM) are addressed. Subsequently, this is built upon to develop specific decision support tools that can assist decision-making for risk mitigation. The research in materials testing involved an experimental study on the dynamic elastic properties of brick masonry constituents, which are known to differ from their static counterpart. Despite being a fundamental deformation property, experimentally determining the static elastic moduli of brick masonry constituents remains a challenging task. Following an experimental campaign, this research proposes a robust procedure based on the synergy of two non-destructive testing methods to reliably estimate the dynamic elastic and shear moduli of such materials. In addition, an empirical expression to estimate the static elastic modulus of constituents from its dynamic counterpart is also provided. With respect to vibration testing, the present study deals specifically with masonry bell towers and the operational modal analysis (OMA) techniques used to extract modal parameters from test acquisitions. Despite significant advances in OMA techniques, the accuracy of resulting estimates from vibration tests are still highly dependent on test conditions, acquisition quality, and on the techniques employed for modal parameter estimation. This work first aimed to design a suitable acquisition system and program for the vibration testing of the bell tower of Seu Vella in Lleida, Catalonia. Several system identification and modal analysis techniques were investigated and the most suitable ones for identifying particular modal parameters under varying acquisition conditions are discussed. The SHM research component is particularly focused on data analysis for static SHM systems, which involve the continuous measurement of key slow-varying parameters over long time periods. Although such systems have the potential to identify slow irreversible deterioration mechanisms in masonry structures at a very early stage, the interpretation of acquired data can be difficult, particularly due to the influence of environmental factors. This research proposes a fully automated data analysis procedure able to filter out reversible environmental effects and classify monitored responses in pre-defined evolution states. The procedure has successfully been used to identify vulnerable areas in two important medieval heritage structures in Spain, namely the cathedral of Mallorca and the church of the monastery of Sant Cugat. Finally, all the findings in specific topics are built upon to elaborate multi-criteria decision-making (MCDM) tools meant to improve the objectivity, clarity, and transparency of risk mitigation decisions for masonry heritage. A systematic risk assessment procedure is proposed involving the computation of two MCDM indices: an index related to the estimated risk of damage, and another to the uncertainty behind this estimation. Applications to several case studies are also included to demonstrate the usefulness of the proposed tools.

Muchos sitios de patrimonio cultural en todo el mundo consisten en estructuras de mampostería. Para asegurar la preservación de tales estructuras, la evaluación precisa de su condición estructural es a menudo de suma importancia. Sin embargo, las incertidumbres recurrentes con respecto a las propiedades de los materiales, así como la compleja interacción entre los distintos elementos estructurales a menudo hacen que esta sea una tarea desafiante. Como consecuencia, ha habido un esfuerzo de investigación considerable en el ámbito del desarrollo de métodos y herramientas que puedan facilitar esta tarea, y los expertos responsables de la evaluación de estructuras de mampostería generalmente necesitan sopesar la información de diversos estudios de diagnóstico antes de decidir el mejor curso de acción para su conservación. Las fuentes típicas de información son fuentes históricas, inspecciones in situ, ensayos no destructivos, auscultación estructural (SHM, del inglés Structural Health Monitoring) y el análisis estructural, entre otros. En una primera instancia, el trabajo de investigación presentado en esta tesis contribuye a la mejora de algunos métodos clave para el análisis de estructuras de mampostería. Se abordan temas específicos relacionados con los ensayos de materiales, los ensayos de vibración de estructuras y el SHM. Posteriormente, esto conduce al desarrollo de herramientas específicas de apoyo a la toma de decisiones que pueden ayudar en la toma de decisiones para la mitigación de riesgos. El trabajo de investigación realizado en el campo de los ensayos de materiales ha implicado un estudio experimental sobre las propiedades dinámicas elásticas de los componentes de mampostería de ladrillo, que se sabe que difieren de sus contrapartes estáticas. A pesar de ser una propiedad de deformación fundamental, la determinación experimental del módulo elástico estático en compresión para los componentes de la mampostería de ladrillo sigue siendo una tarea desafiante. Ello se debe principalmente a las dificultades inherentes en la medición precisa de las deformaciones en el rango de deformación elástica de materiales frágiles. Como resultado, las estimaciones del módulo estático muestran generalmente una dispersión mucho mayor que las involucradas en la determinación del módulo elástico dinámico. Aunque se prefiere la propiedad estática para las verificaciones estructurales comunes, la relación entre las dos aún no se comprende bien para los componentes típicos de mampostería de ladrillo. De hecho, existen muy pocos estudios que evalúen la idoneidad de diferentes técnicas para estimar las propiedades dinámicas elásticas de estos materiales. Como tal, actualmente hay muy poca orientación disponible sobre cómo estimar de manera fiable estas propiedades para dichos materiales. Tras una campaña experimental para determinar los módulos dinámicos elásticos y de corte de una variedad de ladrillos y morteros, esta investigación propone un procedimiento robusto basado en la combinación de dos métodos de ensayo no destructivos para estimar de manera fiable estas propiedades dinámicas. Además, también se proporciona una expresión empírica para estimar el módulo de elasticidad estático de los componentes de mampostería de ladrillo a partir de su contraparte dinámica. Con respecto a ensayos de vibración de estructuras, el presente estudio considera específicamente campanarios de mampostería y las técnicas de análisis modal operacional (OMA, del inglés Operational Modal Analysis)) utilizadas para extraer parámetros modales a partir de adquisiciones. A pesar de avances significativos en las técnicas de OMA, la precisión de las estimaciones resultantes de las pruebas de vibración aún depende en gran medida en las condiciones de la prueba, la calidad de la adquisición y las técnicas empleadas para la estimación de parámetros modales. Este trabajo tuvo como objetivo, en primer lugar, diseñar un sistema y programa de adquisición adecuados para ensayos de vibración del campanario de la Seu Vella en Lleida, Cataluña. Se investigaron varias técnicas de identificación de sistemas y de análisis modal y se discuten las más adecuadas para identificar parámetros modales particulares en diferentes condiciones de adquisición. El componente de SHM de esta investigación se ha centrado en el análisis de datos de sistemas de SHM estáticos que implican la medición continua de parámetros clave de variación lenta durante largos períodos de tiempo. Las estructuras patrimoniales de mampostería a menudo se ven afectadas por mecanismos lentos de deterioro irreversible que pueden poner en peligro la estabilidad estructural en un futuro próximo. El SHM estático tiene el potencial de identificar tales mecanismos en etapas tempranas. Ello puede facilitar enormemente la implementación de medidas preventivas y correctivas adecuadas que pueden ser críticas para asegurar que tales estructuras se preserven para las generaciones venideras. Sin embargo, dado que los parámetros monitoreados generalmente experimentan variaciones estacionales reversibles del mismo orden de magnitud que los cambios causados por mecanismos activos, la identificación de estos últimos es a menudo una tarea difícil. El Capítulo 5 de esta tesis presenta un procedimiento de análisis de datos automatizado totalmente integrado para sistemas completos de SHM estáticos que utilizan modelos de regresión lineal dinámica para filtrar los efectos causados por variaciones ambientales. El método no solo produce tasas de evolución estimadas, sino que también clasifica las respuestas monitoreadas en estados predefinidos de evolución. El procedimiento se ha utilizado con éxito para identificar áreas vulnerables en dos importantes estructuras patrimoniales medievales en España, a saber, la catedral de Mallorca y la iglesia del monasterio de Sant Cugat. Finalmente, todos los hallazgos anteriores se utilizan para la elaboración de herramientas de toma de decisiones multicriterio (MCDM, del inglés Muli-Criteria Decision-Making) destinadas a mejorar la objetividad, claridad y transparencia de las decisiones de mitigación de riesgos para estructuras patrimoniales de mampostería. Se propone un procedimiento sistemático de evaluación de riesgos que involucra el cálculo de dos índices MCDM: un índice relacionado con el riesgo estimado de daño y otro con la incertidumbre detrás de esta estimación. También se incluyen aplicaciones a varios casos de estudios para demostrar la utilidad de las herramientas propuestas

Un gran nombre de llocs de patrimoni cultural consisteixen en estructures de maçoneria. La responsabilitat comuna de protegir aquestes estructures és ara àmpliament reconeguda i, sovint, és fonamental una avaluació acurada de la seva condició estructural actual per tal d’assegurar tal protecció. No obstant això, en molts casos, les incerteses recurrents en les propietats dels materials i la complexa interacció entre elements estructurals converteixen l’avaluació de la seguretat estructural en una tasca difícil. Com a conseqüència, hi ha hagut un considerable esforç investigador sobre el desenvolupament de mètodes i eines que puguin facilitar aquesta tasca, i els experts responsables de l’avaluació de la seguretat d’estructures del patrimoni de maçoneria necessiten normalment contrastar informació provinent de diverses activitats de diagnosi abans de decidir les millors actuacions per a la seva preservació. Les fonts típiques d’informació són documents històrics, inspeccions in situ, assajos no destructius, monitorització de l’estructura (SHM, de l’anglès Structural Health Monitoring), i anàlisi estructural, entre altres. En una primera instància, el treball de recerca presentat en aquesta tesi contribueix a la millora d’alguns mètodes clau per a l’anàlisi d’estructures de maçoneria. S’aborden temes específics relacionats amb l’assaig de materials, assajos de vibració d’estructures i SHM. Posteriorment, això condueix al desenvolupament d’eines específiques de suport a la presa de decisions que poden ajudar en la presa de decisions per a la mitigació de riscos. La recerca realitzada en el camp dels assajos de materials va implicar un estudi experimental de les propietats elàstiques dinàmiques de constituents de la fàbrica de maó, de les quals es coneix que difereixen de les estàtiques. Malgrat ser una propietat de deformació fonamental, la determinació experimental del mòdul elàstic estàtic a la compressió per a constituents de maçoneria de maó és encara una tasca desafiant. Això és principalment a causa de les dificultats vinculades a la forma exacta de mesurar tensions en el camp de deformació elàstic dels materials fràgils. Com a resultat, estimacions del mòdul estàtic mostren usualment una major dispersió que les estimacions obtingudes per al mòdul elàstic dinàmic. Tot i que la propietat estàtica és preferida per a verificacions estructurals comunes, encara cal entendre la relació entre la dues per a constituents de maçoneria de maó típics. De fet, hi ha molt pocs estudis que avaluïn la idoneïtat de diferents tècniques per a estimar les propietats elàstiques dinàmiques d’aquests materials. Com a tal, actualment no hi ha gaires orientacions disponibles per a estimar de manera fiable aquestes propietats per a tals materials. Després d’una campanya experimental per a determinar el mòdul elàstic dinàmic i de cisalla d’una varietat de materials constituents de maçoneria de maó, aquest treball proposa un procediment robust basat en la combinació de dos mètodes d’assaig no destructiu per a una estimació fiable d’aquestes propietats dinàmiques. A més a més, també es proporciona una expressió empírica per estimar el mòdul elàstic estàtic de constituents de fàbrica del maó a partir del seu homòleg dinàmic. Respecte als assajos de vibració, el present estudi tracta de campanars de maçoneria i de tècniques d’anàlisi modal operacional (OMA, de l’anglès Operational Modal Analysis) utilitzades per a extreure paràmetres modals (freqüències naturals, modes de vibració, i coeficients d’amortiment) a partir d’assajos d’adquisició. Malgrat avanços significatius en la identificació de sistemes i les tècniques d’anàlisi modal, la precisió d’estimacions de paràmetres modals resultants d’assajos de vibració d’estructures encara són altament dependents de les condicions de l’assaig, la qualitat de l’adquisició i les tècniques emprades per a l’estimació dels paràmetres modals. Per tal d’entendre millor els efectes reals d’aquests factors en la pràctica, aquest treball ha dissenyat un sistema d’adquisició adequat i un programa per a l’assaig de vibració del campanar de la Seu Vella a Lleida, Catalunya. Dues freqüències naturals, incloent la fonamental, van ser clarament identificats a partir de les vibracions adquirides. Aquests resultats es van utilitzar per a calibrar un model d’elements finits de l’estructura i per a estimar el mòdul elàstic dinàmic del material de la torre. Es van investigar diverses tècniques d’identificació de sistema i d’anàlisi modal, i es discuteixen les més adequades en diferents condicions d’assaig. La part relacionada amb la monitorització en aquest treball s’ha enfocat particularment en l’anàlisi de dades obtingudes a partir de sistemes estàtics de SHM que consisteixen en la mesura contínua de paràmetres clau de variació lenta sobre períodes de temps llargs. Les estructures de patrimoni de maçoneria es veuen sovint afectades per mecanismes de deteriorament irreversibles i lents que poden posar en risc l’estabilitat estructural en un futur pròxim. El SHM estàtic té el potencial d’identificar tals mecanismes en etapes primerenques. Això pot facilitar la implementació de mesures preventives i de rehabilitació adequades, les quals poden ser crítiques per assegurar que tals estructures siguin preservades per a futures generacions. Tot i això, donat que els paràmetres controlats experimenten variacions estacionals reversibles del mateix ordre de magnitud com els canvis causats per mecanismes actius, la identificació d’aquests mecanismes és sovint una tasca difícil. Aquesta tesi presenta un procediment plenament automatitzat per a l’anàlisi de dades per a sistemes de SHM estàtics, el qual utilitza models de regressió lineals dinàmics per filtrar els efectes causats per variacions ambientals. El mètode no només produeix una estimació de les taxes d’evolució, sinó que també classifica les respostes monitorejades en diferents estats d’evolució predefinits. El procediment ha estat utilitzat amb èxit per a identificar àrees vulnerables en dos important estructures de patrimoni medieval a Espanya: la catedral de Mallorca i l’església del monestir de Sant Cugat. Finalment, totes les troballes anteriors s’utilitzen per a l’elaboració d’eines de presa de decisió multicriteri (MCDM, de l’anglès Multi-Criteria Decision-Making) destinades a millorar l’objectivitat, claredat i transparència de les decisions de mitigació de riscos per a estructures del patrimoni de maçoneria. Es proposa un procediment sistemàtic d’estimació de risc estructural que implica la computació de dos índexs MCDM: un índex relacionat amb el risc estimat de dany, i un altre relacionat ambla incertesa darrere d’aquesta estimació. Les aplicacions a diversos casos d’estudi també s’inclouen per demostrar la utilitat de les eines proposades.