Interoperable dynamics-based structural health monitoring framework for civil engineering structures

Abstract

(English) The methods used nowadays for maintenance and control of infrastructures require modernisation due to the fact that these are based in processes such as visual inspections, which are carried out sporadically in most assets, with the results depending heavily on the technician performing them. With a significant number of structures reaching the end of their life, managers are being pushed to develop and implement smarter and continuous methods of assessing structures in order to increase their usability for ecological and economic reasons. In this context, the topic of Structural Health Monitoring (SHM) has become highly relevant in recent decades due to its capability to prevent in-service collapses, and because it allows optimizing maintenance plans. However, the use of this technology to simple and common structures has not taken place yet. This is partly due to the high cost of equipment and solutions, to the fact that they are not sufficiently robust and scalable, and because they still depend mostly on research which usually focuses on a single aspect rather than providing comprehensive solution. To address the gap identified, this thesis presents an interoperable dynamics-based SHM framework applicable to different types of civil engineering structures, with a particular focus on medium-sized infrastructures. It proposes a series of tools to address the problem in an integral, cost-effective, scalable and flexible way. First, a measurement equipment is developed based on cost-effective sensors and microcontrollers, to collect acceleration data from the structure. An Operational Modal Analysis (OMA) application has been developed to extract dynamic parameters from acceleration data obtained while the structure is in operation. A damage identification algorithm has been proposed, that uses parameters obtained from the OMA platform and the measurement equipment. Furthermore, this thesis addresses the information flow of the SHM process, and integrates all the aforementioned tools within a Digital Twin (DT) framework. Three numerical cases, two laboratory cases and three real-scale case studies were carried out. These were not only used as technology validators, but also to adapt and improve the tools developed in this work. The case studies provided invaluable insights into the requirements and limitations of the proposed solutions, and the conclusions drawn had a direct impact on the decisions made regarding the development and implementation of the developed tools. The finding that low-cost sensor-based measurement equipment is viable for the analysis, in the frequency range of responses found in most of the existing infrastructures; that simple but proven OMA methods included in an easy to use application can provide valuable information to stakeholders; and that with a properly tuned Finite Element Model Updating (FEMU) algorithm, damage could be identified; demonstrates that it is possible to provide a practical, easy to implement and efficient solution to the problem of monitoring and maintaining an ageing and increasingly dense infrastructure network. Thus, it is expected that the results of this work have a direct impact on the economic and social costs associated to civil infrastructures, optimising the maintenance task, avoiding collapses, ensuring safety and increasing the service life of these assets.

(Català) Els mitjans utilitzats per dur a terme el manteniment i control de les infraestructures requereixen una modernització ja que, actualment, aquests estan basats en procediments com són les inspeccions visuals, que es fan de forma esporàdica en la major part d’actius i que donen resultats que depenen en gran manera del tècnic que ha fet la inspecció. Davant el fet que un nombre significatiu d’estructures està arribant al final de la seva vida útil, els gestors es veuen en la necessitat de desenvolupar i aplicar mètodes més intel·ligents i continus d’avaluació d’aquestes estructures amb l’objectiu d’augmentar la seva vida útil per raons ecològiques i econòmiques. En aquest context, el monitoratge de la salut estructural (SHM, en les seves sigles en anglès) ha guanyat gran rellevància a les darreres dècades per la seva capacitat per prevenir col·lapses en servei i optimitzar els plans de manteniment. Tanmateix, la transferència d’aquesta tecnologia a estructures senzilles i comuns no s’ha produït encara, en part degut a l’alt cost dels equipaments, a què les solucions existents no són prou robustes i escalables, i a què la investigació se centra en aspectes i aplicacions concretes en comptes d’oferir solucions integrals. Per solucionar aquest problema, aquesta tesi presenta un marc interoperable d’SHM basat en la resposta dinàmica de l’estructura i desenvolupat per poder ser aplicat a diferents tipus d’estructures d’enginyeria civil, en especial a aquelles de mida mitjana. Es proposen un conjunt d’eines per plantejar el problema de forma integral, econòmica, escalable i flexible. En primer lloc, s’ha desenvolupat un equipament de mesura, basat en sensors i micro-controladors de baix cost, per recollir dades d’acceleració de l’estructura. S’ha desenvolupat una aplicació d’Anàlisi Modal Operacional (OMA) per extreure els paràmetres dinàmics de l’estructura a partir de les dades d’acceleració obtingudes durant el seu estat de servei. S’ha proposat un algoritme d’identificació del dany que fa ús dels paràmetres que es poden obtenir utilitzant la plataforma d’OMA i l’equip de mesura. A més, aquesta tesi tracta el flux d’informació del procés d’SHM i integra totes les eines esmentades en una plataforma de bessó digital (DT). S’han realitzat tres estudis de casos numèrics, dos estudis de casos de laboratori i tres estudis de casos a escala real. Aquests estudis no sols s’han utilitzat per validar la tecnologia, sinó també per adaptar i millorar aquesta tecnologia a les necessitats reals requerides pels casos considerats. Les conclusions obtingudes d’aquests estudis ha repercutit directament en la forma en què s’han desenvolupat i s’han aplicat les diferents eines desenvolupades. La verificació de què els equips de mesura, basats en sensors de baix cost, són vàlides per l’anàlisi en el rang de freqüències de les respostes que s’esperen en gran part de les infraestructures; de què mètodes OMA senzills, però provats, inclosos en una aplicació fàcil d’utilitzar, poden proporcionar informació valuosa per a les parts interessades; i de què amb un algoritme d’Actualitació del Model d’Elements Finits (FEMU), correctament calibrat, es poden identificar danys; demostra que és possible oferir una solució pràctica, fàcil d’aplicar i eficient al problema de la vigilància i el manteniment d’una xarxa d’infraestructura envellida i cada cop més densa. S’espera que els resultats d’aquest treball puguin repercutir directament en els costos econòmics i socials associats a les xarxes d’infraestructures, optimitzant les tasques de manteniment, evitant col·lapses, garantint la seguretat i augmentant la vida útil d’aquests actius.

(Español) Los métodos utilizados para el mantenimiento y el control de las infraestructuras requieren una modernización ya que actualmente éstos están basados en procedimientos como las inspecciones visuales, que se llevan a cabo de forma esporádica en la mayoría de los activos y cuyos resultados dependen en gran medida del técnico que las realiza. Dado que un número significativo de estructuras está llegando al final de su vida útil, los gestores se ven empujados a desarrollar y aplicar métodos más inteligentes y continuos de evaluación de las mismas con el fin de aumentar su vida útil por razones ecológicas y económicas. En este contexto, la monitorización de la salud estructural (SHM, en sus siglas en inglés) ha cobrado gran relevancia en las últimas décadas por su capacidad para prevenir colapsos en servicio y optimizar los planes de mantenimiento. Sin embargo, la transferencia de esta tecnología a estructuras más sencillas y comunes, no se ha producido, en parte debido al elevado coste de los equipos, a que las soluciones no son suficientemente robustas y escalables, y a que la investigación se centra en un único aspecto en lugar de ofrecer soluciones integrales. Para solucionar este problema, esta tesis presenta un marco interoperable de SHM basado en la respuesta dinámica de la estructura y desarrollado para que pueda ser aplicable a distintos tipos de estructuras de ingeniería civil, con especial enfoque a las infraestructuras de tamaño medio. Se proponen una serie de herramientas para abordar el problema de forma integral, económica, escalable y flexible. En primer lugar, se ha desarrollado un equipo de medición, basado en sensores y microcontroladores de bajo coste, para recoger datos de aceleración de la estructura. Se ha desarrollado una aplicación de Análisis Modal Operacional (OMA, en sus siglas en inglés) para extraer parámetros dinámicos a partir de los datos de aceleración obtenidos durante el funcionamiento de la estructura. Se ha propuesto un algoritmo de identificación de daño, que utiliza los parámetros que se pueden obtener utilizando la plataforma OMA y el equipo de medida. Además, esta tesis aborda el flujo de información del proceso de SHM e integra las herramientas mencionadas en una plataforma de Gemelo Digital (DT, en sus siglas en inglés). Se han llevado a cabo tres estudios de casos numéricos, dos estudios de casos de laboratorio y tres estudios de casos a escala real. Estos estudios no sólo se han utilizado para validar la tecnología, sino también para adaptar y mejorar las herramientas propuestas durante el proceso de desarrollo. Los casos prácticos han aportado información muy valiosa sobre los requisitos y limitaciones de las soluciones propuestas. Las conclusiones obtenidas de estos casos han repercutido directamente en las decisiones tomadas sobre el desarrollo y la aplicación de las herramientas desarrolladas. La verificación de que los equipos de medición, basados en sensores de bajo coste, son viables para el análisis en el rango de frecuencias de las respuestas que se encuentran en gran parte de las infraestructuras; de que métodos OMA sencillos, pero contrastados, incluidos en una aplicación fácil de usar, pueden proporcionar información valiosa a las partes interesadas; y de que con un algoritmo de Actualización del Modelo de Elementos Finitos (FEMU), correctamente calibrado, se pueden identificar los daños; demuestra que es posible ofrecer una solución práctica, fácil de aplicar y eficiente al problema de la vigilancia y el mantenimiento de una red de infraestructuras envejecida y cada vez más densa. Se espera que los resultados de este trabajo puedan repercutir directamente en los costes económicos y sociales asociados a la red de infraestructuras, optimizando la tarea de mantenimiento, evitando colapsos, garantizando la seguridad y aumentando la vida útil de estos activos.