Engineering structures need to be assessed as part of activities to ensure their continued serviceability. Global methods of assessment which also give an indication of local conditions are most attractive since they are cost effective and flexible. A suitable method with these attributes is vibration monitoring which involves relating dynamic properties, or changes in them, to the integrity of the assessed structure. The present study investigates the application of vibration testing to structural integrity assessment of civil engineering structures. A survey of existing methods of damage detection, location and quantification in structures using vibration testing was conducted. Evaluation of the performance of some of the more promising methods was conducted using both simulated and experimental data. The results revealed that the damage identification process could be enhanced if appropriate modes are used. To this end, a new function, called Modal Sensitivity Values, has been proposed for identifying damage sensitive modes to be included in damage detection and location methods. It was also found that some success could be achieved if system identification and model updating procedures are applied to the problem of damage detection in structures. The literature survey revealed that most of the available methods are not applicable to general structural systems and are often limited by the damage model assumed. A new method, called Integrity Index Damage Location method, of assessing structural integrity using vibration data has also been proposed. The method is applicable to any structure and any damage type that affects the integrity/stiffness of the structure. Performance evaluation of the method using both numerical and experimental data is presented. Full-scale forced vibration tests were conducted before and after repairs on two reinforced concrete highway bridges. The vibrator used during the tests was developed during the research project and details of its development and operation are given in the thesis. As a background to the tests, a review of full-scale dynamic testing of bridge structures was conducted. Results from the tests were used to investigate the effectiveness of forced vibration testing as an integrity monitoring tool. It was found that the repair works caused slight (less than 5%) changes in the natural frequencies while there was no definite trend in the changes to the modal damping ratios. Comparison of frequency response functions and mode shapes, using modal analysis procedures, was found to give an indication of the presence and location of the repairs. The integrity assessment method proposed was also able to identify some of the affected parts of the structures. Results from the full-scale tests were also compared with predictions from finite element analysis. Good correlation was obtained between the measured and calculated natural frequencies and mode shapes, thus enabling validation of the analytical models within limits of the model assumptions and experimental errors. The results demonstrate the importance of accurate representation of boundary conditions. They (results) also showed that the vertical stiffness of new bearings installed on one of the bridges is not as high as was assumed in the design.

No description available.

Este trabalho apresenta um modelo para a verificação do trem-tipo de projeto de pontes e viadutos da norma brasileira a partir do tráfego real nas estradas. Inicialmente, apresenta-se a comparação da carga móvel da norma brasileira com o Eurocode e com as normas da AASHTO. Em seguida, apresenta-se o estado da arte no Brasil e no mundo em pesquisas na área de cargas móveis em pontes. Propõe-se um modelo de verificação do trem-tipo baseado em simulações das passagens e cargas de veículos, através do método de Monte Carlo. São utilizados dados de pesagem e de quantidades de veículos provenientes de uma rodovia concedida à iniciativa privada no interior paulista. São efetuadas análises de pontes celulares com diversos vãos, de 30 a 200 metros, sendo estudados os momentos fletores no meio do vão e forças cortantes adjacentes aos apoios, em obras isostáticas, e momentos fletores no apoio central de pontes contínuas de dois vãos. É dada maior ênfase às situações de congestionamento sobre a ponte, e são efetuadas extrapolações estatísticas para a obtenção dos esforços característicos, levando-se em conta as diferentes situações de tráfego possíveis. Por fim, é feita uma extensão ao estudo das grelhas, utilizando-se linhas de influência transversais em ponte com vão de 30 metros, sem transversinas intermediárias. / This work presents a model to verify the design traffic load model of the Brazilian code, based on real traffic at road bridges. First, it compares Brazilian load model with Eurocode 1 and AASHTO Standard and LRFD Specifications. Then, recent development and research on bridge traffic load models are presented, in Brazil and other countries. A verification model of the traffic load is proposed, based on quantity and weight vehicle simulations, using Monte Carlo method. Real traffic data of trucks, used in this work, have been collected at highways of Sao Paulo state. Box-girder bridges from 30 to 200 m spans are investigated, studying the bending moment at midspan and the shear forces near the supports, on simply supported bridges, and the bending moment at center support, on two-span continuous bridges. Traffic jam situations on the bridge are emphasyzed, and statistical extrapolations to the load effects carachteristic values are done. Finally, it presents an extension of this study to multi-beam cross sections, using transverse influence lines, in a 30 m span bridge, without transverse beams.

Esse trabalho trata do problema de interação dinâmica entre veículos de carga e estruturas de pontes rodoviárias, incluindo o aprimoramento de um modelo veicular de oito graus de liberdade usualmente utilizado na modelagem de veículos classe 3C, introduzindo o nono grau de liberdade, referente à rotação em torno de seu eixo longitudinal ou movimento roll. Foram calculados os carregamentos provenientes do veículo modelado sobre pavimento inicialmente indeslocável, com perfis iguais ou distintos de rugosidade e diferentes sob cada linha de pneus, assim como a participação da energia modal do veículo para cada caso. Tais carregamentos foram condensados estaticamente e aplicados em modelo estrutural simplificado (unifilar) de uma ponte em seção celular, visando a identificar as flutuações dos esforços de torção provenientes da diferença de perfil de rugosidade sob cada linha de pneus do veículo estudado. Ainda foram confrontados resultados para duas situações de tráfego, sendo a primeira para veículo isolado trafegando sobre estrutura e a segunda para um comboio de veículos. Também, verificou a aproximação implícita na adoção de pavimento indeslocável para a obtenção dos esforços da interação veículo-pavimento, utilizando um método iterativo até que se garantisse convergência para os deslocamentos. / This work is concerned with the problem of dynamic interaction between heavy vehicles and bridges structures and also with the improvement of an eight-degree-of-freedom model of a 3C class vehicle, by introducing the ninth degree of freedom referring to the rotation about the vehicle longitudinal axis, or roll movement. The loads applied by the vehicle to the bridge deck were evaluated, assuming initially a rigid structure under the pavement, for both equal and distinct roughness profiles under each tire line, as well as the vehicle modal energy participation for each case. Such loads were statically condensed and applied to a simplified (unifilar) structural model of a girder box bridge, aiming at estimating the fluctuation of the torsion moments due to the differences in the roughness profiles under each tire line. The differences in the dynamic response were evaluated considering two traffic situations, namely a single vehicle or an ensemble of vehicles moving along the bridge. It was further checked the approximation implied in the assumption of a rigid structure under the pavement for the evaluation of the vehicle-structure interaction loads, by means of an iterative procedure until convergence was obtained for the displacements. Besides, it was compared the dynamic responses considering two different traffic situations. The first situation is a unique vehicle moving on a bridge whereas the second is a train of vehicle moving on the bridge. Ahead, it was verified the error in adopt the hypothesis of unmoved pavement in the vehicles model to obtain iteration forces pavement-vehicle, using an iterative methodology to rebuild the original vehicles displacement.

Esse trabalho trata do problema de interação dinâmica entre veículos de carga e estruturas de pontes rodoviárias, incluindo o aprimoramento de um modelo veicular de oito graus de liberdade usualmente utilizado na modelagem de veículos classe 3C, introduzindo o nono grau de liberdade, referente à rotação em torno de seu eixo longitudinal ou movimento roll. Foram calculados os carregamentos provenientes do veículo modelado sobre pavimento inicialmente indeslocável, com perfis iguais ou distintos de rugosidade e diferentes sob cada linha de pneus, assim como a participação da energia modal do veículo para cada caso. Tais carregamentos foram condensados estaticamente e aplicados em modelo estrutural simplificado (unifilar) de uma ponte em seção celular, visando a identificar as flutuações dos esforços de torção provenientes da diferença de perfil de rugosidade sob cada linha de pneus do veículo estudado. Ainda foram confrontados resultados para duas situações de tráfego, sendo a primeira para veículo isolado trafegando sobre estrutura e a segunda para um comboio de veículos. Também, verificou a aproximação implícita na adoção de pavimento indeslocável para a obtenção dos esforços da interação veículo-pavimento, utilizando um método iterativo até que se garantisse convergência para os deslocamentos. / This work is concerned with the problem of dynamic interaction between heavy vehicles and bridges structures and also with the improvement of an eight-degree-of-freedom model of a 3C class vehicle, by introducing the ninth degree of freedom referring to the rotation about the vehicle longitudinal axis, or roll movement. The loads applied by the vehicle to the bridge deck were evaluated, assuming initially a rigid structure under the pavement, for both equal and distinct roughness profiles under each tire line, as well as the vehicle modal energy participation for each case. Such loads were statically condensed and applied to a simplified (unifilar) structural model of a girder box bridge, aiming at estimating the fluctuation of the torsion moments due to the differences in the roughness profiles under each tire line. The differences in the dynamic response were evaluated considering two traffic situations, namely a single vehicle or an ensemble of vehicles moving along the bridge. It was further checked the approximation implied in the assumption of a rigid structure under the pavement for the evaluation of the vehicle-structure interaction loads, by means of an iterative procedure until convergence was obtained for the displacements. Besides, it was compared the dynamic responses considering two different traffic situations. The first situation is a unique vehicle moving on a bridge whereas the second is a train of vehicle moving on the bridge. Ahead, it was verified the error in adopt the hypothesis of unmoved pavement in the vehicles model to obtain iteration forces pavement-vehicle, using an iterative methodology to rebuild the original vehicles displacement.

Este trabalho apresenta um modelo para a verificação do trem-tipo de projeto de pontes e viadutos da norma brasileira a partir do tráfego real nas estradas. Inicialmente, apresenta-se a comparação da carga móvel da norma brasileira com o Eurocode e com as normas da AASHTO. Em seguida, apresenta-se o estado da arte no Brasil e no mundo em pesquisas na área de cargas móveis em pontes. Propõe-se um modelo de verificação do trem-tipo baseado em simulações das passagens e cargas de veículos, através do método de Monte Carlo. São utilizados dados de pesagem e de quantidades de veículos provenientes de uma rodovia concedida à iniciativa privada no interior paulista. São efetuadas análises de pontes celulares com diversos vãos, de 30 a 200 metros, sendo estudados os momentos fletores no meio do vão e forças cortantes adjacentes aos apoios, em obras isostáticas, e momentos fletores no apoio central de pontes contínuas de dois vãos. É dada maior ênfase às situações de congestionamento sobre a ponte, e são efetuadas extrapolações estatísticas para a obtenção dos esforços característicos, levando-se em conta as diferentes situações de tráfego possíveis. Por fim, é feita uma extensão ao estudo das grelhas, utilizando-se linhas de influência transversais em ponte com vão de 30 metros, sem transversinas intermediárias. / This work presents a model to verify the design traffic load model of the Brazilian code, based on real traffic at road bridges. First, it compares Brazilian load model with Eurocode 1 and AASHTO Standard and LRFD Specifications. Then, recent development and research on bridge traffic load models are presented, in Brazil and other countries. A verification model of the traffic load is proposed, based on quantity and weight vehicle simulations, using Monte Carlo method. Real traffic data of trucks, used in this work, have been collected at highways of Sao Paulo state. Box-girder bridges from 30 to 200 m spans are investigated, studying the bending moment at midspan and the shear forces near the supports, on simply supported bridges, and the bending moment at center support, on two-span continuous bridges. Traffic jam situations on the bridge are emphasyzed, and statistical extrapolations to the load effects carachteristic values are done. Finally, it presents an extension of this study to multi-beam cross sections, using transverse influence lines, in a 30 m span bridge, without transverse beams.

Structural Health Monitoring (SHM) is a promising tool for condition assessment of bridge structures. SHM of bridges can be performed for different purposes in long or short-term. A few aspects of short- and long-term monitoring of highway bridges are addressed in this research. Without quantifying environmental effects, applying vibration-based damage detection techniques may result in false damage identification. As part of a long-term monitoring project, the effect of temperature on vibrational characteristics of two continuously monitored bridges are studied. Natural frequencies of the structures are identified from ambient vibration data using the Natural Excitation Technique (NExT) along with the Eigen System Realization (ERA) algorithm. Variability of identified natural frequencies is investigated based on statistical properties of identified frequencies. Different statistical models are tested and the most accurate model is selected to remove the effect of temperature from the identified frequencies. After removing temperature effects, different damage cases are simulated on calibrated finite-element models. Comparing the effect of simulated damages on natural frequencies showed what levels of damage could be detected with this method. Evaluating traffic loads can be helpful to different areas including bridge design and assessment, pavement design and maintenance, fatigue analysis, economic studies and enforcement of legal weight limits. In this study, feasibility of using a single-span bridge as a weigh-in-motion tool to quantify the gross vehicle weights (GVW) of trucks is studied. As part of a short-term monitoring project, this bridge was subjected to four sets of high speed, live-load tests. Measured strain data are used to implement bridge weigh-in-motion (B-WIM) algorithms and calculate the corresponding velocities and GVWs. A comparison is made between calculated and static weights, and furthermore, between supposed speeds and estimated speeds of the trucks. Vibration-based techniques that use finite-element (FE) model updating for SHM of bridges are common for infrastructure applications. This study presents the application of both static and dynamic-based FE model updating of a full scale bridge. Both dynamic and live-load testing were conducted on this bridge and vibration, strain, and deflections were measured at different locations. A FE model is calibrated using different error functions. This model could capture both global and local response of the structure and the performance of the updated model is validated with part of the collected measurements that were not included in the calibration process.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As pontes rodoviárias mistas (aço-concreto) estão sujeitadas às ações dinâmicas variáveis, por exemplo, devido ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Estas ações dinâmicas podem gerar a nucleação de fraturas ou mesmo a sua propagação sobre a estrutura. A correta consideração desses aspectos objetivou o desenvolvimento de uma metodologia de análise, com a finalidade de avaliar os níveis dos esforços e tensões oriundos do tráfego dos veículos sobre a superfície irregular do pavimento e, bem como, proceder uma verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias em aço e mistas (aço-concreto). Para tal, as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por quatro vigas de aço longitudinais e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Simulam-se as almas das vigas de aço e as lajes de concreto do tabuleiro através de elementos finitos de casca. As mesas dessas vigas, transversinas e os enrijecedores são modelados por elementos de viga tridimensionais. Os veículos são representados a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". O tráfego dessas viaturas é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto). / Steel and composite highway bridges (steel-concrete) are currently subjected to dynamic actions, for example, variable magnitude due to vehicles traffic on the deck rough pavement. These dynamic actions can generate the fractures nucleation or even their propagation on the structure. The correct consideration of these aspects pointed out to an analysis methodology developed, in order to evaluate the stresses through a dynamical analysis on highway bridge decks, due to vehicles crossing on the irregular pavement surfaces and to proceed a fatigue verification from Steel and composite highway bridges (steel-concrete). The stress cycles counting techniques and the cumulative damage rules application had been analyzed through S-N curves associated with diverse projects norms. The steel and composite highway bridge (steel-concrete), investigated in this study, is constituted by four longitudinal steel beams and a composite deck. The computational model, developed for the bridge dynamic analysis , adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations. The beam web thickness was represented by shell finite elements. The beam top and bottom flange and the longitudinal and vertical stiffeners were simulated by three-dimensional beam elements, where flexural and torsion effects were considered. The bridge concrete slab was simulated by shell finite elements. The vehicles are represented from "mass-spring-damper" systems. The traffic of these vehicles is considered as a simulation of half-infinite convoys dislocating with constant speed on the bridge. The present study conclusions concerning steel and composite highway bridges (steel-concrete) structural elements service life.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação, propõe-se uma metodologia para a analise da resposta dinâmica de pontes rodoviárias devido à travessia de comboios de diversos tipos de veículos sobre o tabuleiro irregular dessas obras de arte. Para tal, desenvolve-se uma análise paramétrica extensa com o objetivo de avaliarem-se os efeitos dinâmicos provenientes das irregularidades superficiais existentes no tabuleiro sobre o comportamento das pontes rodoviárias. A metodologia de análise é desenvolvida no domínio do tempo de acordo com um modelo estatístico. O modelo matemático é concebido de forma a simular o conjunto dos veículos e do tabuleiro, denominado neste trabalho comumente de sistema veículo-ponte (ou sistema veículo-estrutura). Considera-se a participação da massa e da rigidez dos veículos na definição das freqüências do conjunto e, conseqüentemente, a força de interação entre os veículos e a ponte é afetada pela flexibilidade desta. Simula-se o tabuleiro das obras de arte por uma viga modelada com base em elementos finitos de barra unidimensionais, com massas concentradas em seus nós e flexibilidade distribuída. Aos nós estão associados os movimentos de rotação no plano e de translação vertical. Desprezam-se a inércia de rotação e a deformação por cisalhamento. São considerados 04 (quatro) modelos distintos para representar os veículos do comboio na análise paramétrica, sendo estes: veículos com um eixo e uma massa, viaturas com um eixo e duas massas, veículos com dois eixos e três massas e carros com três eixos e quatro massas. Todos os veículos são simulados por sistemas de massas, molas e amortecedores e são descritos por graus de liberdade à translação e rotação no plano. As irregularidades da pista são definidas por um modelo matemático não- determinístico, com base na densidade espectral do perfil do pavimento, obtida experimentalmente. Os perfis irregulares do pavimento são considerados associados a processos fracamente estacionários e ergódicos. O carregamento sobre a superestrutura das pontes é constituído por uma sucessão infinita de veículos, igualmente espaçados e deslocando-se com velocidade constante sobre o tabuleiro. Devido à própria natureza das irregularidades superficiais e do comboio de veículos, atenção especial é concentrada na fase permanente da resposta do sistema veículo-ponte. São estudadas as respostas dos modelos estruturais, com base em tabuleiros isostáticos de concreto armado, com e sem balanços, em seção do tipo caixão, em termos de deslocamentos e esforços nas seções onde ocorrem os efeitos máximos. As conclusões deste trabalho versam sobre a adequação do modelo matemático empregado, observando- se a influência do tipo de modelo de veículo utilizado (com um ou mais eixos) sobre aresposta dinâmica das pontes rodoviárias analisadas e, bem como, à magnitude dos efeitos dinâmicos provenientes das irregularidades superficiais e suas conseqüências sobre as atitudes correntes de projeto. / In this investigation an analysis methodology is developed to evaluate the vehicle- structure response. A parametric study is carried to evaluate the dynamical effects, displacements and stresses, on highway bridge decks, due to vehicles crossing on rough pavement surfaces defined by a probabilistic model. The analysis methodology was considered following a statistical model, in the time domain. The mathematical model assumes a finite element representation of a beam like deck and the vehicle simulation uses concentrated parameters of mass, stiffness and damping. Four different models are developed in order to represent the vehicles. The vehicles are modeled as one axle, with one or two masses, and two and three axles, with three and four masses, respectively. All vehicles are simulated as mass-spring-damper systems and the degrees of freedom of these cars are defined as in plane vertical translations and rotations. The deck surface roughness is defined by a well known power spectrum probability density of road pavement profiles. The irregular pavement surface was defined like a weakly stationary and ergodic random process. The moving load is formed by an infinite succession of vehicles moving with constant velocity and equally spaced. Only steady-state response is considered. Response data are produced on concrete box girder elements assembled as simple beams, including cantilever spans. Conclusions are concerned with the fitness of the developed analysis methodology and the magnitude of the response amplification due to the surface irregularities.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As pontes rodoviárias mistas (aço-concreto) estão sujeitadas às ações dinâmicas variáveis, por exemplo, devido ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Estas ações dinâmicas podem gerar a nucleação de fraturas ou mesmo a sua propagação sobre a estrutura. A correta consideração desses aspectos objetivou o desenvolvimento de uma metodologia de análise, com a finalidade de avaliar os níveis dos esforços e tensões oriundos do tráfego dos veículos sobre a superfície irregular do pavimento e, bem como, proceder uma verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias em aço e mistas (aço-concreto). Para tal, as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por quatro vigas de aço longitudinais e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Simulam-se as almas das vigas de aço e as lajes de concreto do tabuleiro através de elementos finitos de casca. As mesas dessas vigas, transversinas e os enrijecedores são modelados por elementos de viga tridimensionais. Os veículos são representados a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". O tráfego dessas viaturas é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto). / Steel and composite highway bridges (steel-concrete) are currently subjected to dynamic actions, for example, variable magnitude due to vehicles traffic on the deck rough pavement. These dynamic actions can generate the fractures nucleation or even their propagation on the structure. The correct consideration of these aspects pointed out to an analysis methodology developed, in order to evaluate the stresses through a dynamical analysis on highway bridge decks, due to vehicles crossing on the irregular pavement surfaces and to proceed a fatigue verification from Steel and composite highway bridges (steel-concrete). The stress cycles counting techniques and the cumulative damage rules application had been analyzed through S-N curves associated with diverse projects norms. The steel and composite highway bridge (steel-concrete), investigated in this study, is constituted by four longitudinal steel beams and a composite deck. The computational model, developed for the bridge dynamic analysis , adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations. The beam web thickness was represented by shell finite elements. The beam top and bottom flange and the longitudinal and vertical stiffeners were simulated by three-dimensional beam elements, where flexural and torsion effects were considered. The bridge concrete slab was simulated by shell finite elements. The vehicles are represented from "mass-spring-damper" systems. The traffic of these vehicles is considered as a simulation of half-infinite convoys dislocating with constant speed on the bridge. The present study conclusions concerning steel and composite highway bridges (steel-concrete) structural elements service life.