Methodologies for finite element modeling, calibration and damage prediction in aging bridges using experimental dynamical data

Abstract

In the complex contemporary society, the importance of effective communication plays a crucial role in the development and prosperity of nations. With the advent of technology and the ever-increasing demand for essential resources such as food, energy or mineral resources, self-sufficiency of raw materials within countries is becoming increasingly challenge. Consequently, this leads nations to increasingly depend on international trade and cooperation to meet their needs and promote their progress. In this context, the transportation network has made remarkable progress, allowing previously unaffordable distances to be covered in reduced times. Such accomplishments would not be possible without the development of a solid infrastructure to support this communications network. However, it is imperative that, in our pursuit of advancement, we do not neglect the foundations that support this network. Among them, bridges emerge as one of the most critical and vulnerable elements within the terrestrial infrastructure. Hence, it is crucial to recognize the challenge posed by the aging global bridge stock. Consequently, diligent efforts must be directed towards extensive investigation and preservation of these foundational structures. This approach will safeguard the integrity and efficiency of the transportation network, thereby ensuring the welfare of future generations. The preservation of existing structures can be addressed in multiple approaches ranging from the development of ever more lasting and safer designs or the improvement and optimization of maintenance, to the design of monitoring systems to anticipate disasters. In all these fields, numerical modeling is a limiting factor. For example, the development of all these fields requires always more accurate and robust models that accurately represent the structure. This is even for the most challenging scenarios, such as systems with non-linear behavior, contact and friction modeling, structural damage modeling or the modeling of anisotropy and heterogeneity. The main objective of this thesis is the improvement of numerical modeling of aging bridges and the development of methodologies that contribute to their preservation. Thus, this thesis encompasses the development of four methodologies, three of which are related to the improvement of the aging bridges modeling and the remaining one on damage prediction and structural health monitoring systems. As preliminary work to the development of these four methodologies, two case studies were conducted. The first is the calibration of a masonry bridge, and the second involves the experimental campaign, modeling process and calibration of an aging steel bridge. Both case studies were presented at international congresses and subsequently published in the proceedings. These case studies laid the foundations for the development of the methodologies proposed in this thesis. As a result of this experience, two methodologies for model calibration were developed, one for steel bridges and the other for masonry bridges. Each of these methodologies follows a workflow that takes advantage of the synergies between the sampling, sensitivity and calibration techniques employed and the inherent conditions to each case study. The knowledge generated in performing these calibration methodologies motivated the development of a damage prediction algorithm for steel bridges. This algorithm is suitable for implementation of monitoring systems and can contribute to the improvement of routine inspections of steel bridges. Finally, as a final step of this thesis, a new approach for corrosion modeling in steel bridges was developed. This new approach proposes the use of Bayesian networks for the modeling of property variability in steel bridges. The methodologies and algorithms presented in this dissertation have been tested in real and in-service bridges. This, in turn, resulted in three publications in high impact peerreviewed international journals indexed on the Journal Citation Report (JCR) and two conference papers. Through these publications, the presented work represents an advance in the state of the art and contributed to the improvement of numerical modeling of aging bridges and the development of methodologies to preserve them.

En la compleja sociedad contemporánea, la importancia de una comunicación efectiva adquiere un papel crucial en el desarrollo y prosperidad de las naciones. Con el desarrollo de la tecnología y el crecimiento constante de la demanda de recursos esenciales como alimentos, energía o recursos mineros, la autosuficiencia de materias primas en los países se torna cada vez más compleja. Esto, a su vez, impulsa a las naciones a depender cada vez más del comercio y la cooperación internacional para satisfacer sus necesidades y avivar su progreso. En este contexto, la red de transporte ha experimentado un notable avance, permitiendo que distancias antes inabordables sean recorridas en tiempos reducidos. Dicha proeza no sería posible sin el desarrollo de una infraestructura sólida que sustenta este entramado de comunicaciones. Sin embargo, es imperativo que, en nuestro afán de avanzar, no se descuiden los cimientos que sustentan esta red. Entre ellos, los puentes emergen como uno de los más elementos críticos y vulnerables dentro de la infraestructura terrestre. Por ello es crucial reconocer el desafío que representa el envejecimiento del stock mundial de puentes y, en consecuencia, dirigir nuestros esfuerzos hacia la investigación y preservación de estas estructuras fundamentales para mantener la integridad de la red de transporte y asegurar un futuro próspero para las generaciones venideras. La preservación de las estructuras existentes puede ser abordada de múltiples maneras que van desde el desarrollo de diseños más duraderos y seguros o la mejora y optimización del mantenimiento, hasta el diseño de sistemas de monitorización para anticiparse a los desastres. En todos estos campos, la modelización numérica desempeña un factor limitante, es decir, el desarrollo de todos estos campos implica cada vez una modelización más precisa y robusta que sea representativa de la estructura incluso en los escenarios más desafiantes como en regímenes de comportamientos no lineales, modelización de contactos y fricción, la modelización del daño estructural o el modelado de la anisotropía y la heterogeneidad. Por ello el objetivo principal de esta tesis es la mejora de la modelización numérica de puentes envejecidos y el desarrollo de metodologías que contribuyan a preservarlos. En esta tesis se han desarrollado cuatro metodologías, tres relacionadas con la mejora del modelado de puentes envejecidos y una sobre los sistemas de monitorización y predicción de daño. Como trabajo preliminar al desarrollo de estas cuatro metodologías se realizó una recalibración de un puente de mampostería, y la campaña experimental modelado y calibración de un puente de acero. Ambos casos de estudio fueron expuestos en congresos internacionales y posteriormente publicados en los libros de actas. Estos casos de estudio sentaron las bases para el desarrollo de las metodologías propuestas en esta tesis. Como resultado de esta experiencia se realizaron dos metodologías para la calibración de modelos, una para puentes de acero y otra para puentes de mampostería. Cada una de estas metodologías sigue un flujo de trabajo que aprovecha las sinergias entre las técnicas empleadas y el caso de estudio. La experiencia generada en la realización de estas metodologías de calibración motivó el desarrollo de un algoritmo de predicción de daño en puentes metálicos. Este algoritmo es adecuado para su implementación en sistemas de monitorización y puede contribuir a la mejora de las inspecciones rutinarias en puentes metálicos. Finalmente, como paso final de esta tesis, se desarrolló un nuevo enfoque para el modelado de la corrosión en puentes metálicos. Este nuevo enfoque propone el uso de redes Bayesianas para la modelización de la variabilidad de propiedades en puentes metálicos. Las metodologías y algoritmos presentados en esta tesis se han probado en puentes reales y en servicio. Esto, a su vez, ha dado lugar a tres publicaciones en revistas internacionales de alto impacto, revisadas por pares e indexadas en el Journal Citation Report (JCR). A través de estas publicaciones, el trabajo presentado supone un avance en el estado del arte y contribuyó a la mejora de la modelización numérica de puentes envejecidos y al desarrollo de metodologías para preservarlos.