Assessment of vibration-based damage detection for an integral abutment bridge

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Abstract

Vibration-based damage detection (VBDD) comprises a family of nondestructive testing methods in which changes to signature dynamic characteristics are used to track the condition of a structure. Although VBDD methods have been successfully applied to various mechanical systems and to simple beam-like structures, significant challenges remain in extending this technology to complex, spatially distributed structures such as bridges. In the present study, numerical simulations using a calibrated finite element model were used to investigate the use of VBDD methods to detect small-scale damage on a two-span, integral abutment overpass structure located in Saskatoon, Saskatchewan. Five different VBDD techniques were evaluated, as were the effects of sensor spacing, mode shape normalization, and uncertainty in the measured mode shapes. It was found that localized damage to the top concrete cover of the bridge deck could be reliably detected and located if the sensors were located sufficiently close to the damage and if uncertainty in the mode shapes was attenuated through the use of a sufficient number of repeated trials. Furthermore, preliminary studies indicate that it may be possible to detect damage using sensors that are placed well away from the damaged area.

La détection des dommages causés par les vibrations (« VBDD ») comprend une série d'essais non destructifs dans lesquelles les changements aux caractéristiques dynamiques sont utilisés pour surveiller l'état des structures. Bien que les méthodes « VBDD » aient été utilisées avec succès pour divers systèmes mécaniques et aux structures simples de type à poutres, étendre l'application de cette technologie à des structures complexes distribuées spatialement telles que des ponts demeure un grand défi. Dans la présente étude, des simulations numériques utilisant un modèle par éléments finis étalonné ont été utilisées pour examiner l'utilisation des méthodes « VBDD » afin de détecter le dommage à petite échelle sur un passage supérieur à deux travées avec culée intégrée situé à Saskatoon, au Canada. Cinq différentes techniques « VBDD » ont été évaluées tout comme les effets de l'espacement des capteurs, de la normalisation de la forme de mode, et l'incertitude dans les formes de modes mesurées. Il a été découvert que le dommage se limitant au recouvrement de béton supérieur du tablier de pont pourrait être détecté et localisé avec fiabilité si les capteurs sont placés suffisamment près du dommage et si l'incertitude des formes de mode a été atténuée grâce à l'utilisation d'un nombre suffisant de répétition d'essais. De plus, selon des études préliminaires, il pourrait être possible de détecter les dommages en utilisant des capteurs placés loin de la zone endommagée. Mots-clés: détection des dommages causés par les vibrations, surveillance de l'état des structures, pont à culée intégrée, modélisation numérique, essais sur le terrain.[Traduit par la rédaction]

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