Optimal sensor placement for vibration measurements of a masonry arch bridge

Los puentes de arco de fábrica (MAB) desempeñan un papel crucial en las redes de carreteras y ferrocarriles de todo el mundo, especialmente en Europa. A pesar del papel fundamental que desempeñan estas infraestructuras, son algunas de las partes más vulnerables de las redes de transporte existentes. Por ello, es vital poder contar con un sistema que ayude a la monitorización, detección y alerta temprana de problemas para su seguridad estructural. Esta tesis, titulada "Ubicación óptima de los sensores para medir las vibraciones de un puente de arco de fábrica” se centra en el desarrollo y análisis de una investigación de Optimal Sensor Placement (OSP) para el Viaducto de la Joncadella. El trabajo realizado en esta tesis tiene como objetivo llenar el vacío existente en la literatura actual con respecto a la colocación óptima de sensores en puentes arco de fábrica, con la esperanza de mejorar la aplicación de sistemas de Monitorización de la Salud Estructural (SHM). El desarrollo de un modelo numérico 3D se lleva a cabo a través de una investigación histórica del puente. Se realiza un análisis modal de estos modelos para identificar los modos dominantes y evaluar las frecuencias y formas modales. Para lograr configuraciones óptimas de colocación de sensores, se codifica en MATLAB un algoritmo sencillo que utiliza el método de la independencia efectiva (EFI). A través de esta investigación, se implementan diferentes tipos de sensores, como sensores uniaxiales y triaxiales, y tres enfoques de análisis diferentes para analizar las entradas de desplazamiento modal. La reconstrucción de la forma modal se lleva a cabo para evaluar la calidad de los datos obtenidos a partir de las colocaciones de los sensores seleccionados. Se concluye que una configuración óptima de 14 sensores triaxiales captura adecuadamente el comportamiento global de la estructura, ya que reconstruye con precisión las formas modales, ofreciendo así información sobre el comportamiento del puente. Ade
Masonry arch bridges (MAB) play a crucial role in road and railway networks worldwide, especially in Europe. Despite the critical role these pieces of infrastructure play, they are some of the most vulnerable parts of the existing transportation networks. As such, it is vital to be able to have a system in place which aids in the monitoring, detection and early warning of problems to their structural safety. This thesis, titled “Optimal sensor placement for vibration measurements of a masonry arch bridge” focuses on the development and analysis of an Optimal Sensor Placement (OSP) investigation for the Joncadella Viaduct. The work done in this thesis aims to fill the gap in current literature regarding the Optimal Sensor Placement on masonry arch bridges, in hopes to improve the implementation of Structural Health Monitoring (SHM) systems. The development of a 3D numerical model is accomplished through a historical research of the bridge. Modal analysis is performed on these models to identify dominant modes and evaluate modal frequencies and shapes. To achieve optimal sensor placement configurations, a simple algorithm using the Effective Independence (EFI) method is coded in MATLAB. Through this investigation, different sensor types, such as uniaxial and triaxial sensors, and three different analysis approaches are implemented to analyze the inputs of modal displacement. Modal shape reconstruction is conducted to assess the quality of data obtained from the selected sensor placements. It is concluded that an optimal sensor configuration of 14 triaxial sensors adequately captures the global behavior of the structure, as it accurately reconstructs the modal shapes thus offering insights into the bridge’s behavior. In addition, this thesis concludes with recommendations for a temporary configuration of rotating sensor placement, demonstrating the ability to capture multiple points along the bridge, allowing for global monitoring of the bridge.