Dynamic monitoring and automated modal identification of large structures : methodological aspects and application to a historic iron bridge

Monitoring, as the observation over time of a state or a condition by the repeated measurement of one or more quantities, is a relatively recent paradigm in the field of Civil Engineering (CE). However, in the last decade, significant progresses, especially in sensing technology, made it possible the installation of many monitoring systems on new and existing CE structures. Nevertheless, there is, at present, a significant difference between the number of structures equipped with a monitoring system and the number of publications in the literature showing a clear and useful interpretation of the monitoring results, especially when data provided by the technology are used for Structural Health Monitoring (SHM) purposes i.e. to inform operators about the health state of a structure and its continued “fitness for purposes”. The engineering motivation for the present dissertation stems from these premises so that a first aim of this thesis is giving a contribution in the field of Monitoring of CE structures: on one hand, developing a general procedure suitable to dynamic monitoring of (large) structures; on the other hand, applying the procedure to a specific case study. The San Michele bridge (1889) better known as Paderno bridge – a historic road and railway iron arch bridge still in service – was assumed as case study since results of dynamic investigations performed in 2009, induced the main institutional owner of the bridge  the Italian Railway Authority (RFI)  to commission Politecnico di Milano the design, installation and management of a continuous dynamic monitoring system. In the framework of a dynamic monitoring program, methodologies based on extraction and use of modal parameters to assess the structural state are widely reported in the literature and Operational Modal Analysis (OMA) is nowadays considered as a reliable tool for modal identification of systems from experimental data collected in operational conditions. In the last decades, significant progresses, both concerning test equipments and data acquisition devices, have encouraged the development and the use of this methodology. However, OMA needs to be automated to use it as an “engine” to extract continuously the modal parameters over time, with the “quality” of those extracted, manually, by an expert user. Automation is generally not straightforward since CE structures might exhibit complex dynamic behavior, conceivably affected by changing environmental conditions. Hence, the development of a reliable, accurate and effective automated OMA procedure is nowadays a major research area. The technical motivation for this work stems from this second set of premises so that a second aim of the present dissertation is providing a contribution in the field of Automated Modal Identification through the development of an automated procedure based on the Frequency Domain Decomposition (FDD) technique and its application to the data sets collected on a real case (the Paderno bridge). The results obtained show as the automated procedure proposed is generally effective and reliable even when significant variations of the natural frequencies occur due to changing environmental conditions. Results over the first four months of monitoring (November 28th 2011 – April 1st 2012) are firstly shown as tracking of the modal parameters (natural frequencies and mode shapes) and statistics, both concerning the vertical and the lateral modes of the bridge. Secondly, possible dependences of the modal parameters on environmental (i.e. temperature) and operational (i.e. road traffic intensity) conditions are investigated. In particular, it was observed as the modal parameters related to the modes that are not significantly affected by temperature can be directly used as control parameters in assessing the structural health state of the bridge whereas, for the other modes, temperature effects should be investigated and removed as long term data will be available. In conclusion, the permanent dynamic monitoring and automated modal analysis performed on the Paderno bridge have shown to be effective tools for surveying the possible evolution of the bridge structural condition.

Il monitoraggio, inteso come “osservazione nel tempo di uno stato attraverso la ripetuta misura di una o più grandezze fisiche significative”, è una pratica relativamente recente nel campo dell’Ingegneria Civile. Tuttavia, negli ultimi decenni, l’evoluzione tecnologica, specialmente nel campo dei sensori di misura, ha favorito e reso possibile l’installazione di numerosi sistemi di monitoraggio cosicché un’ampia varietà di soluzioni tecnologiche è oggi presente su strutture in scala reale. Ciononostante, è possibile osservare, allo stato attuale, una significativa differenza tra il numero delle strutture dotate di un sistema di monitoraggio ed il numero di pubblicazioni mostranti - in maniera chiara e sufficientemente esaustiva - risultati ed interpretazioni dei dati forniti dal sistema stesso, specialmente quando quest’ultimo ha la finalità di monitorare lo stato di salute dell’opera. Le motivazioni ingegneristiche della presente tesi dottorale derivano da questa premessa, per cui un primo obiettivo è di dare un contributo nel campo del monitoraggio di strutture dell’Ingegneria Civile, definendo una possibile procedura generale per monitorare grandi strutture ed applicando tale procedura ad un appropriato caso di studio. Come caso di studio, è stato considerato il ponte San Michele, costruito nel 1889 e meglio noto come Ponte di Paderno, un’infrastruttura storica in ferro tuttora in uso sia come ponte stradale che ferroviario. I risultati di alcune prove dinamiche condotte nel 2009 hanno evidenziato, infatti, l’opportunità di monitorare in continuo la risposta dinamica di tale opera, ragion per cui Rete Ferroviaria Italiana (RFI), quale maggiore utente istituzionale del ponte, ha commissionato al Politecnico di Milano, la progettazione, l’installazione e la gestione di un sistema di monitoraggio dinamico permanente. Nell’ambito di un programma di monitoraggio dinamico, come quello riguardante il ponte di Paderno, metodologie basate sull’estrazione dei parametri modali per valutare lo stato dell’opera sono ampiamente riportate in letteratura ed in particolare l’Analisi Modale in condizioni operative è considerata ad oggi uno strumento valido ed affidabile a tal fine. Negli ultimi decenni, significativi progressi nella strumentazione per test modali e nella digitalizzazione dei dati hanno favorito lo sviluppo e l’uso dell’analisi modale in condizioni operative. Tuttavia, l’identificazione modale, nell’ambito di un programma di monitoraggio permanente, richiede di essere automatizzata per poter estrarre, di continuo, i parametri modali in tempo quasi reale e con la qualità dei risultati che un analista esperto conseguirebbe in maniera manuale. L’automatizzazione di tecniche per l’identificazione modale di strutture civili è pertanto generalmente non semplice, soprattutto per strutture aventi un comportamento dinamico complesso. A seguito di queste ulteriori considerazioni, il presente lavoro mira a dare un contributo nell’ambito dell’Analisi Modale Automatica con la proposta e l’implementazione di una procedura basata sulla ben nota tecnica Frequency Domain Decomposition e sulla sua applicazione utilizzando le storie temporali registrate sul ponte di Paderno. I risultati ottenuti mostrano come tale procedura automatica sia in generale efficace ed affidabile nell’identificare i parametri modali del ponte anche in presenza di significative variazioni delle frequenze naturali dovute alla temperatura. In particolare, sono mostrati i risultati ottenuti nei primi quattro mesi di monitoraggio permanente (28 Novembre 2011 – 1 Aprile 2012) sia come evoluzione nel tempo dei parametri modali che relative statistiche. Successivamente, la possibile dipendenza di tali parametri nei confronti delle condizioni ambientali (temperatura) ed operazionali (intensità del traffico stradale) è stata indagata. Ciò che è possibile osservare è che i parametri modali dei modi non significativamente influenzati dalla temperatura possono essere direttamente utilizzati come parametri di controllo dello stato di salute del ponte, mentre, per i restanti, gli effetti della temperatura dovranno, invece, essere indagati ed eliminati. In conclusione, il monitoraggio dinamico permanente e l’analisi modale automatica condotti sul ponte di Paderno si presentano come validi strumenti per sorvegliare l’evoluzione dello stato di salute dell’opera.