Finite element analysis of vehicle-bridge interaction in Abaqus

Structural Health Monitoring (SHM) techniques are increasingly utilized to facilitate the assessment and management of existing bridge infrastructure. Among vibration-based methods, Operational Modal Analysis (OMA) serves as an effective tool for identifying the dynamic characteristics of structures under service conditions. This thesis develops a vibration-based model-updating framework for an in-service bridge, employing experimentally identified modal information. Structural response data are analyzed using OMA techniques implemented within the pyOMA framework to extract the dynamic properties of the bridge. Given the characteristics of the available data and operational monitoring conditions, the analysis primarily targets the identification of natural frequencies. A finite element model of the bridge is constructed in Abaqus, using shell elements to model the deck and the primary structural components. The modeling strategy intends to balance computational efficiency with physical realism and addresses practical issues related to element connectivity and parameter sensitivity. Model calibration is performed using the Douglas–Reid method, considering only natural frequencies and omitting mode shape information. This approach is justified by the limited sensitivity of the identified mode shapes to the selected updating parameters, as reported in the literature and corroborated by the model development and updating process in this study. The topic of vehicle–bridge interaction analysis is discussed through a review of relevant literature that outlines established modeling procedures and potential extensions to the proposed framework, and a modeling of a sprung-mass vehicle is performed to analyze the VBI in the bridge. The results show that frequency-based model updating is a practical and reliable strategy for calibrating numerical models of in-service bridges.

Le tecniche di Structural Health Monitoring (SHM) sono sempre più utilizzate per supportare la valutazione e la gestione delle infrastrutture di ponte esistenti. Tra i metodi basati sulle vibrazioni, la Operational Modal Analysis (OMA) si conferma uno strumento efficace per l’identificazione delle caratteristiche dinamiche delle strutture in condizioni di esercizio. In questo contesto, viene sviluppato un framework di model updating basato su misure vibrazionali per un ponte in esercizio, utilizzando informazioni modali identificate sperimentalmente. I dati di risposta strutturale sono analizzati mediante tecniche OMA implementate nell’ambiente pyOMA, con l’obiettivo di estrarre le proprietà dinamiche del ponte. Considerando le caratteristiche del dataset disponibile e le condizioni di monitoraggio operativo, l’analisi si concentra principalmente sull’identificazione delle frequenze naturali. Un modello agli elementi finiti del ponte è sviluppato in Abaqus, utilizzando elementi shell per la modellazione dell’impalcato e dei principali componenti strutturali. La strategia di modellazione mira a garantire un equilibrio tra efficienza computazionale e rappresentazione fisicamente realistica, affrontando aspetti pratici relativi alla connettività tra elementi e alla sensibilità dei parametri. La calibrazione del modello viene eseguita mediante il metodo di Douglas–Reid, considerando esclusivamente le frequenze naturali ed escludendo le informazioni sulle forme modali. Questa scelta è motivata dalla limitata sensibilità delle forme modali identificate rispetto ai parametri selezionati per l’aggiornamento, come riportato in letteratura e ulteriormente confermato nel processo di sviluppo e aggiornamento del modello condotto in questo studio. Il tema dell’analisi dell’interazione veicolo–ponte è affrontato attraverso una revisione della letteratura pertinente, che illustra le procedure di modellazione consolidate e le possibili estensioni del quadro metodologico proposto; inoltre, viene sviluppato un modello di veicolo a massa sospesa per analizzare la VBI sul ponte. I risultati mostrano che l’aggiornamento del modello basato sulle frequenze è una strategia pratica e affidabile per calibrare i modelli numerici di ponti in esercizio.