System identification and structural health monitoring of bridge structures

This research study addresses two issues for the identification of structural characteristics of civil infrastructure systems. The first one is related to the problem of dynamic system identification, by means of experimental and operational modal analysis, applied to a large variety of bridge structures. Based on time and frequency domain techniques and mainly with output-only acceleration, velocity or strain data, modal parameters have been estimated for suspension bridges, masonry arch bridges, concrete arch and continuous bridges, reticular and box girder steel bridges. After giving an in-depth overview of standard and advanced stochastic methods, differences of the existing approaches in their performances are highlighted during system identification on the different kinds of civil infrastructures. The evaluation of their performance is accompanied by easy and hard determinable cases, which gave good results only after performing advanced clustering analysis. Eventually, real-time vibration-based structural health monitoring algorithms are presented during their performance in structural damage detection by statistical models. The second issue is the noise-free estimation of high order displacements taking place on suspension bridges. Once provided a comprehensive treatment of displacement and acceleration data fusion for dynamic systems by defining the Kalman filter algorithm, the combination of these two kinds of measurements is achieved, improving the deformations observed. Thus, an exhaustive analysis of smoothed displacement data on a suspension bridge is presented. The successful tests were subsequently used to define the non-collocated sensor monitoring problem with the application on simplified models

Questo lavoro di ricerca mira a due obiettivi per l'identificazione delle caratteristiche strutturali dei sistemi infrastrutturali civili. Il primo è legato al problema della identificazione del sistema dinamico, mediante analisi modale sperimentale e operativa, applicata ad una grande varietà di strutture da ponte. Basandosi su tecniche nel dominio del tempo e delle frequenze e, soprattutto, su dati di output di accelerazione, velocità o strain, i parametri modali sono stati stimati per ponti sospesi, ponti ad arco in muratura, ponti a travi in calcestruzzo e ad arco, ponti reticolari e ponti in acciaio a cassone. Dopo aver dato una panoramica approfondita dei metodi stocastici standard ed avanzati, sono state evidenziate le differenze degli approcci esistenti nelle loro performance per l'identificazione del sistema sui diversi tipi di infrastrutture civili. La valutazione della loro performance viene accompagnata da casi facilmente e difficilmente determinabili, che hanno dato buoni risultati solo dopo l'esecuzione di analisi avanzate di Clustering. Inoltre, sono stati sviluppati algoritmi di identificazione dinamica automatica in tempo reale basandosi sulle vibrazioni strutturali dei ponti monitorati, a sua volta utilizzati nel rilevamento dei danni strutturali tramite modelli statistici. Il secondo problema studiato riguarda la stima di spostamenti di ordine superiore che si svolgono sui ponti sospesi, eliminando il rumore di misura e di processo. Una volta fornito un trattamento completo della fusione dei dati di spostamento e accelerazione per i sistemi dinamici tramite il filtro di Kalman, la combinazione di questi due tipi di misurazioni ha mostrato un miglioramento nelle deformazioni osservate. Pertanto, è stata presentata un'analisi esauriente di un ponte sospeso e dei sui dati dinamici e di spostamento filtrati. I test positivi sono stati successivamente utilizzati per definire il problema dei sensori non collocati alla stessa locazione ed applicazione su modelli semplificati