Parámetros de durabilidad de puentes sobre la base de su comportamiento dinámico
Authors:   , López Aragón Juan Antonio 
Published: May 2024

This Doctoral Thesis is dedicated to the study of the behaviour of the dynamic parameters of bridges as a way to monitor their structural health.

It responds to the motivation of helping to clarify some of the technical problems currently existing in the dynamic monitoring of structures, such as the relatively few studies carried out on real structures, the identification of stable dynamic parameters, an approach to the influence of structural typology, knowing to what degree the influence of environmental variables and their possible modeling must be considered, or delving into the influence of calculation methods in obtaining the modal damping ratio and its possibilities for improvement.

With this purpose, the objectives were set to conclude the state of the art in the matter in relation to its theoretical basis, the analysis of damages and common pathologies of bridges and the practical results obtained by other researchers; study in depth the methodology for determining the modal damping ratio and try to propose improvements in the calculation methods; and analyse the a posteriori behaviour of several real structures equipped with dynamic instrumentation, to see the possibility of detecting incidents based on changes in their behaviour, studying the influence of environmental variables and the effect of degradation on the dynamic parameters.

In order to carry out these studies, different computer tools have been developed that allow the analysis of the dynamic behaviour of the structures, enabling the analysis of the accelerograms in the frequency domain and obtaining the modal damping factor ratio the application of different calculation methods.

In relation to the calculation of the modal damping ratio, a comparative study of the most common calculation methods is included and a theoretical proposal for an alternative calculation method is made, based on the reduction of the signal spectrum. In this sense, the validation of the method is included by applying it both to theoretical simulations, on which the sensitivity analysis is performed, and to experimental accelerograms from the monitoring of the first of the real structures indicated below.

The experimental analysis has been carried out on three real structures: a road, the Arcos de Alconétar viaduct; and two railways, the Arroyo del Valle and Arroyo de las Piedras viaducts.

The studies carried out on the structures have been reviewed, as well as the available computational models, and the general analysis of the experimental dynamic behaviour of the structures has been carried out, comparing the experimental results with the expected results according to the computational model, previous studies and bibliographic references whenever possible. Given that the structures did not suffer from any damage during the monitoring period, the analysis was focused on the possible causes of the variations over time in the values of both the natural frequencies and the modal damping ratio, reaching specific conclusions in the case of the first structure.

In this structure, correlations with the ambient temperature and the maximum accelerations recorded, both vertically and horizontally, could be obtained for the natural frequencies. For the modal damping ratio, for certain eigenfrequencies, correlations with the wind and the maximum recorded accelerations were obtained.

Through the study carried out in this Thesis, it has been confirmed, as happens in other areas of engineering, the potential of incorporating dynamic parameters in structural health monitoring systems in the case of bridges and the particular considerations that must be taken into account.

RESUMEN

La presente Tesis Doctoral está dedicada al estudio del comportamiento de los parámetros dinámicos de los puentes como forma de monitorizar su salud estructural.

La misma responde a la motivación de ayudar a aclarar algunos de los problemas técnicos existentes actualmente en la monitorización dinámica de estructuras, tales como los relativamente escasos estudios realizados sobre estructuras reales, la identificación de parámetros dinámicos estables, una aproximación a la influencia de la tipología estructural, saber en qué grado hay que considerar la influencia de las variables ambientales y su posible modelización, o profundizar en la influencia de los métodos de cálculo en la obtención del factor de amortiguamiento modal y sus posibilidades de mejora.

Con esta finalidad, se plantearon los objetivos de concluir el estado del arte en la materia en relación con sus fundamentos teóricos, el análisis de daños y patologías habituales de puentes y los resultados prácticos obtenidos por otros investigadores; estudiar en profundidad la metodología para la determinación del factor de amortiguamiento modal e intentar proponer mejoras en los métodos de cálculo; y analizar el comportamiento a posteriori de varias estructuras reales dotadas de instrumentación dinámica, para ver la posibilidad de detección de incidencias basándose en los cambios del comportamiento de las mismas, estudiando la influencia de las variables ambientales y el efecto de la degradación sobre los parámetros dinámicos.

Para poder realizar estos estudios, se han desarrollado distintas herramientas informáticas que permiten el análisis del comportamiento dinámico de las estructuras, posibilitando el análisis de los acelerogramas en el dominio de la frecuencia y la obtención del factor de amortiguamiento modal mediante la aplicación de distintos métodos de cálculo.

En relación con el cálculo del factor de amortiguamiento modal, se incluye un estudio comparativo de los métodos de cálculo más habituales y se realiza una propuesta teórica de método de cálculo alternativo, basado en la reducción del espectro de la señal. En este sentido, se incluye la validación del método aplicándolo tanto a simulaciones teóricas, sobre las que se realiza el análisis de sensibilidad, como a acelerogramas experimentales procedentes de la monitorización de la primera de las estructuras reales que se indican a continuación.

El análisis experimental se ha realizado sobre tres estructuras reales: una viaria, el viaducto Arcos de Alconétar; y dos ferroviarias, los viaductos Arroyo del Valle y Arroyo de las Piedras.

Se han revisado los estudios realizados sobre las estructuras, así como los modelos teóricos de cálculo disponibles, y se ha efectuado el análisis general del comportamiento dinámico experimental de las estructuras, comparando los resultados experimentales con los resultados esperables de acuerdo con el modelo de cálculo, los estudios previos y las referencias bibliográficas siempre que ha sido posible. Dado que las estructuras no sufrieron ningún daño durante el periodo de monitorización, el análisis se centró en las posibles causas de las variaciones en el tiempo de los valores tanto de las frecuencias propias como del factor de amortiguamiento, llegando a conclusiones concretas en el caso de la primera estructura.

En dicha estructura, para las frecuencias propias se pudieron obtener correlaciones con la temperatura ambiente y las aceleraciones máximas registradas, tanto vertical como horizontal. Para el factor de amortiguamiento modal, para determinadas frecuencias, se obtuvieron correlaciones con el viento y las aceleraciones máximas registradas.

Mediante el estudio realizado en esta Tesis, ha quedado constatada, al igual que sucede en otras áreas de la ingeniería, la potencialidad de la incorporación de los parámetros dinámicos en sistemas de monitorización de la salud estructural en el caso de los puentes y las consideraciones particulares que deben ser tenidas en cuenta.