Approaches on the estimation of bridge displacements from measured acceleration data

Abstract

The progressive aging and deterioration of the health condition of bridges due to their usage raises concerns about their structural safety and usability. Regular inspections are conducted in order to assess the current condition of the structures, though certain types of sustained damages are difficult to detect with the primarily visual inspections. To address this issue, health monitoring systems consisting of various sensors attached to the structure are employed, providing additional information as a basis for decisions regarding appropriate maintenance measures. The monitoring system can be either permanent, operating under daily live load conditions, or temporarily applied during inspections. Especially in steel bridges, the knowledge of the displacement response enables the identification of dynamic deformations, which cause localised stress concentrations and can lead to fatigue and brittle damage. The displacement responses can be either obtained from the measurements of displacement sensors or determined by double integration of recorded acceleration data from the sensors of the monitoring system. As the former approach proves impractical in application, the integration of acceleration records to displacement responses seems a better choice. However, data obtained from acceleration sensors include measurement errors, which accumulate when integrated twice, leading to physically unlikely displacement shifts and distortions. The focus of this work lies on presenting and evaluating different approaches on the removal of the effect of measurement errors in the integration process, application of the selected methods on measured data and evaluating their applicability and the accuracy of the results. In the first part of this thesis, an introduction to structural health monitoring is given and the basic theory and difficulties in the integration procedure are discussed. This is followed by an overview of several estimation methods proposed in literature, which has been applied to acceleration records from vehicle and earthquake induced vibrations. Additionally, basic techniques for processing and analysing (acceleration) signals are presented, which are required in the estimation procedures. Three of the proposed estimation methods are then chosen and described in detail. The chosen methods are applied to measured data from a steel box girder bridge located in Japan. The acceleration measurements were obtained during an experimental field measurement and during an earthquake, thus providing acceleration data from vehicle and earthquake induced vibrations, which are investigated separately. Displacement measurements were also conducted during the field measurement, providing the possibility of validation for the estimated values. In the final part, the results from the estimation are presented and discussed, as well as difficulties which have appeared during the calculations. The section concludes with an evaluation of the applicability of the methods and recommendations on possible further research topics in this field.

Das fortschreitende Altern und die Verschlechterung des Zustands von Brücken aufgrund ihres Gebrauchs geben Anlass zum Bedenken ihrer strukturellen Sicherheit und Benutzbarkeit. Regelmäßige Inspektionen werden durchgeführt, um den aktuellen Zustand des Bauwerks zu beurteilen, obwohl bestimmte Arten von Schäden bei den primär per Augenschein durchgeführten Inspektionen schwierig zu erkennen sind. Um dieses Problem zu lösen, werden Überwachungssysteme eingesetzt, die aus verschiedenen Sensoren bestehen. Diese sind am Bauwerk angebracht und liefern zusätzliche Informationen, die als Entscheidungsgrundlage für geeignete Instandhaltungsmaßnahmen dienen. Das Überwachungssystem kann entweder dauerhaft angebracht sein, um unter täglichen Bedingungen zu arbeiten, oder gezielt während Inspektionen eingesetzt werden. Insbesondere bei Stahlbrücken ermöglicht das Wissen um das Verschiebungsverhalten das Erkennen dynamischer Verformungen, die zu lokalen Spannungskonzentrationen und folglich Ermüdungserscheinungen und Sprödbrüchen führen können. Die Verschiebungsantworten können entweder aus den Messungen von Verschiebungssensoren erhalten werden oder durch doppelte Integration der Beschleunigung, die von den Beschleunigungssensoren des Überwachungssystems gemessen werden, bestimmt werden. Da sich der erste Ansatz in der Anwendung als unpraktisch herausstellt, erscheint die Integration von Beschleunigungsaufzeichnungen zu den Verschiebungsantworten als die bessere Wahl. Die von Beschleunigungssensoren gemessenen Daten enthalten jedoch Messfehler, die sich bei zweimaliger Integration vergrößern und zu physisch unwahrscheinlichen Verschiebungsverläufen und Verzerrungen führen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Darstellung und Bewertung verschiedener Ansätze zur Beseitigung der Auswirkung von Messfehlern im Integrationsprozess, der Anwendung der ausgewählten Methoden auf Messdaten und der Bewertung ihrer Anwendbarkeit und der Genauigkeit der Ergebnisse. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Einführung in das Überwachungssystem gegeben und die grundlegende Theorie sowie Schwierigkeiten im Integrationsverfahren werden diskutiert. Darauf folgt ein Überblick über mehrere Berechnungsverfahren, die in der Literatur für Beschleunigungsaufzeichnungen von Fahrzeug- und erdbebeninduzierten Vibrationen vorgeschlagen werden. Zusätzlich werden grundlegende Techniken zur Verarbeitung und Analyse von (Beschleunigungs-) Signalen vorgestellt, die in den Verfahren erforderlich sind. Drei der vorgeschlagenen Berechnungsverfahren werden dann ausgewählt und im Detail beschrieben. Die gewählten Methoden werden auf Messdaten einer Stahlkastenträgerbrücke in Japan angewendet. Die Beschleunigungsmessungen wurden während einer experimentellen Feldmessung und während eines Erdbebens durchgeführt und liefern so Beschleunigungsdaten von Fahrzeug- und Erdbeben-induzierten Vibrationen, die separat untersucht werden. Während der Feldmessung wurden auch Verschiebungsmessungen durchgeführt, welche die Validierung der berechneten bzw. abgeschätzten Werte ermöglichen. Im letzten Teil werden die Ergebnisse der Abschätzung präsentiert und diskutiert sowie die Schwierigkeiten, die während der Berechnungen aufgetreten sind. Der Abschnitt schließt mit einer Bewertung der Anwendbarkeit der Methoden und Empfehlungen zu möglichen weiteren Forschungsthemen auf diesem Gebiet.