Numerical investigation of the performance of a permanent Structural Health Monitoring system for a railroad bridge

Transport systems are a key factor in regional development, in which bridges play a critical role. When a bridge is out of service, the entire network is affected. Accordingly, structural health monitoring (SHM) techniques have been developed. With them, the structural state of the bridge can be tracked over time, potentially detecting damage before it collapses or exceeds runability thresholds. An important aspect of SHM is the design of the setup, in which certain properties must be considered, such as detectability of common types of damage. The design process can be supported by a numerical model of the bridge. Through a case study, this thesis studies the performance of a permanent SHM system designed to monitor a bridge. A calibrated finite element model of the bridge’s healthy state is built and used to simulate typical damage scenarios at varying intensities. Three analyses are performed for each scenario: a static analysis under permanent loads to study changes in static measurements; a static analysis under operational loads to assess whether damage causes the bridge to exceed runability thresholds before the SHM system detects it; and a dynamic analysis to evaluate changes in the bridge’s dynamic properties due to damage. Additionally, based on measurements taken from a bridge with similar structural properties, detectability thresholds are proposed to complement the assessment of the detectability performance of the design SHM system. Results showed that certain damage scenarios induced significant variations in both static and dynamic parameters, enhancing their detectability. With the proposed detectability thresholds, the methodology is used to assess the performance of the SHM system. However, only real measurements from the bridge will allow for a true assessment. Serviceability thresholds were not exceeded, but trends in some scenarios suggest potential variations. The finite element model proved to be a key tool for improving SHM systems performance evaluation.

I sistemi di trasporto sono un fattore chiave nello sviluppo regionale, in cui i ponti giocano un ruolo fondamentale. Quando un ponte è fuori servizio, l’intera rete ne risente. Di conseguenza, sono state sviluppate tecniche di monitoraggio della salute strutturale (SHM). Grazie a queste tecniche, lo stato strutturale del ponte può essere monitorato nel tempo, rilevando potenzialmente danni prima che il ponte collassi o superi le soglie di fruibilità. Un aspetto importante dello SHM è la progettazione del sistema, in cui devono essere considerate alcune proprietà, come la rilevabilità dei danni comuni. Il processo di progettazione può essere supportato da un modello numerico del ponte. Attraverso uno studio di caso, questa tesi studia le prestazioni di un sistema SHM permanente progettato per monitorare un ponte. Viene costruito un modello agli elementi finiti calibrato dello stato sano del ponte, utilizzato per simulare scenari di danno tipici a diverse intensità. Per ciascun scenario vengono eseguite tre analisi: un’analisi statica sotto carichi permanenti per studiare le variazioni nelle misurazioni statiche; un’analisi statica sotto carichi operativi per valutare se il danno provoca il superamento delle soglie di fruibilità prima che il sistema SHM lo rilevi; e un’analisi dinamica per valutare le variazioni nelle proprietà dinamiche del ponte a causa del danno. Inoltre, sulla base delle misurazioni effettuate su un ponte con proprietà strutturali simili, vengono proposte soglie di rilevabilità per integrare la valutazione delle prestazioni di rilevamento del sistema SHM progettato. I risultati hanno mostrato che alcuni scenari di danno hanno indotto variazioni significative nei parametri statici e dinamici, migliorandone la rilevabilità. Con le soglie di rilevabilità proposte, la metodologia viene utilizzata per valutare le prestazioni del sistema SHM. Tuttavia, solo le misurazioni reali del ponte permetteranno una valutazione autentica. Le soglie di fruibilità non sono state superate, ma le tendenze in alcuni scenari suggeriscono potenziali variazioni. Il modello agli elementi finiti si è rivelato uno strumento fondamentale per migliorare la valutazione delle prestazioni dei sistemi SHM.