Abstract: Tesi amb menció de Doctorat Industrial (Generalitat de Catalunya)
Abstract: (English) Aging bridge infrastructure worldwide faces growing challenges from increased traffic demand, environmental degradation, and sustained dynamic loads, compromising structural integrity and public safety. In this context, structural health monitoring (SHM) has emerged as a key tool for proactive infrastructure management. However, its widespread implementation remains limited by the high cost and operational complexity of commercial instrumentation systems. As a result, many bridges, especially those with limited resources, remain unmonitored, while the technical feasibility of low-cost alternatives for reliable structural assessment remains scientifically unvalidated. This research addresses this gap through the first multi-scale experimental validation of LARA (Low-Cost Adaptive Reliable Accelerometer) sensors applied to bridge monitoring, contributing to both the theoretical advancement and practical implementation of low-cost SHM systems. This work presents four original contributions. First, a methodology for indirect deformation estimation based on rotation measurement is developed and validated, using the dual-axis inclinometer capabilities of LARA. The methodology is validated through static load tests carried out on a railway bridge (access to Barcelona–El Prat Airport), allowing vertical displacements to be estimated with correlation coefficients greater than 0.95 compared to the reference instrumentation. These results demonstrate that rotations can accurately replace traditional displacement measurements. Second, controlled dynamic tests are carried out comparing the performance of LARA with commercial-grade accelerometers (IOLITEI-3XMEMS-ACC-S). The results show that LARA identifies fundamental frequencies with errors of less than 2% and estimates damping ratios with deviations of less than 4%. These results constitute the first quantitative benchmark on the use of low-cost sensors in the dynamic analysis of bridges, establishing validated performance thresholds previously unavailable in literature. Third, a complete automated procedure for modal identification is developed and validated, integrating noise filtering, peak picking algorithms, frequency domain decomposition, and quality assurance. Applied to a reinforced concrete isostatic bridge in the Basque Country, the procedure made it possible to extract modal parameters under environmental excitation with sufficient accuracy to update a finite element model (MAC>0.90), representing one of the first demonstrations of structural model calibration driven by low-cost sensors under operating conditions. Fourth, the thesis evaluates the sustainability of the LARA system from an environmental, economic, and social perspective. The results indicate a reduced carbon footprint and the possibility of expanding monitoring coverage at a fraction of the cost of commercial systems, while also contributing to several United Nations Sustainable Development Goals. Based on two experimental campaigns on bridges and multiple load scenarios, it has been confirmed that LARA achieves operational accuracy comparable to that of commercial sensors (frequency errors below 3% and modal correlation above 0.85) at approximately 8–10% of the cost. The main contribution of this thesis is the empirical demonstration that low-cost sensors can reliably perform structural identification tasks traditionally reserved for expensive instrumentation, providing a solid scientific foundation for the democratization of structural monitoring.
(Català) L’envelliment de les infraestructures de ponts arreu del món afronta reptes creixents derivats de l’augment de la demanda de trànsit, la degradació ambiental i l’acció de càrregues dinàmiques sostingudes, fet que compromet la seva integritat estructural i la seguretat pública. La monitorització de l’estat estructural (SHM) s’ha consolidat com una eina clau per a la gestió proactiva de les infraestructures; tanmateix, la seva implantació generalitzada continua limitada pel cost elevat i la complexitat operativa dels sistemes d’instrumentació comercial. Com a conseqüència, nombrosos ponts, especialment aquells amb recursos limitats, romanen sense monitoritzar, mentre que la viabilitat tècnica d’alternatives de baix cost per a una avaluació estructural fiable encara no ha estat validada científicament. Aquesta recerca doctoral aborda aquesta bretxa mitjançant la primera validació experimental a múltiples escales dels sensors LARA (Low-Cost Adaptive Reliable Accelerometer) aplicats a la monitorització de ponts, contribuint tant a l’avanç teòric com a la implementació pràctica de sistemes SHM de baix cost. El treball presenta quatre contribucions originals. En primer lloc, es desenvolupa i valida una metodologia d’estimació indirecta de deformacions basada en la mesura de rotacions, utilitzant les capacitats de l’inclinòmetre de doble eix de LARA. La metodologia es valida mitjançant proves de càrrega estàtica realitzats en un pont ferroviari (accés a l’Aeroport de Barcelona–El Prat), permetent estimar desplaçaments verticals amb coeficients de correlació superiors a 0.95 respecte a la instrumentació de referència. Aquests resultats demostren que les rotacions poden substituir amb precisió les mesures tradicionals de desplaçament. En segon lloc, es duen a terme proves dinàmiques controlades en què es compara el rendiment de LARA amb acceleròmetres de grau comercial (IOLITEI-3XMEMS-ACC-S). Els resultats mostren que LARA identifica les freqüències fonamentals amb errors inferiors al 2% i estima els ràtios d’amortiment amb desviacions inferiors al 4%. Aquests resultats constitueixen el primer referent quantitatiu sobre l’ús de sensors de baix cost en l’anàlisi dinàmica de ponts, establint nivells de rendiment validats que fins ara no estaven disponibles en la literatura. En tercer lloc, es desenvolupa i valida un procediment automatitzat complet per a la identificació modal, que integra el filtratge de soroll, algorismes de selecció de pics, descomposició en el domini de la freqüència i control de qualitat. Aplicat a un pont isostàtic de formigó armat al País Basc, el procediment va permetre extreure paràmetres modals sota excitació ambiental amb suficient fidelitat per a l’actualització d’un model d’elements finits (MAC>0.90), constituint una de les primeres demostracions de calibratge de models estructurals impulsat per sensors de baix cost en condicions operatives. En quart lloc, la tesi avalua la sostenibilitat del sistema LARA des d’una perspectiva ambiental, econòmica i social. Els resultats indiquen una petjada de carboni reduïda i la possibilitat d’ampliar la cobertura de monitorització a una fracció del cost dels sistemes comercials, contribuint també a diversos Objectius de Desenvolupament Sostenible de les Nacions Unides. A partir de dues campanyes experimentals en ponts i múltiples escenaris de càrrega, es confirma que LARA assoleix una precisió operativa comparable a la dels sensors comercials, amb errors de freqüència inferiors al 3% i una correlació modal superior a 0.85, amb un cost aproximat del 8–10%. La contribució principal d’aquesta tesi és la demostració empírica que els sensors de baix cost poden exercir de manera fiable tasques d’identificació estructural tradicionalment reservades a instrumentació costosa, proporcionant una base científica sòlida per a la democratització de la monitorització estructural.
(Español) El envejecimiento de las infraestructuras de puentes en todo el mundo se enfrenta a retos crecientes derivados del aumento de la demanda de tráfico, la degradación medioambiental y la acción de cargas dinámicas sostenidas, lo que compromete su integridad estructural y la seguridad pública. La monitorización del estado estructural (SHM) se ha consolidado como una herramienta clave para la gestión proactiva de infraestructuras; sin embargo, su implantación generalizada continúa limitada por el elevado coste y la complejidad operativa de los sistemas de instrumentación comercial. Como consecuencia, numerosos puentes, especialmente aquellos con recursos limitados, permanecen sin monitorizar, mientras que la viabilidad técnica de alternativas de bajo coste para una evaluación estructural fiable sigue sin estar científicamente validada. Esta investigación doctoral aborda esta brecha mediante la primera validación experimental a múltiples escalas de los sensores LARA (Low-Cost Adaptive Reliable Accelerometer) aplicados a la monitorización de puentes, contribuyendo tanto al avance teórico como a la implementación práctica de sistemas SHM de bajo coste. El trabajo presenta cuatro contribuciones originales. Primero, se desarrolla y valida una metodología de estimación indirecta de deformaciones basada en la medición de rotaciones, utilizando las capacidades del inclinómetro de doble eje de LARA. La metodología se valida mediante ensayos de carga estática realizados en un puente ferroviario (acceso al Aeropuerto de Barcelona–El Prat), permitiendo estimar desplazamientos verticales con coeficientes de correlación superiores a 0.95 respecto a la instrumentación de referencia. Estos resultados demuestran que las rotaciones pueden sustituir de forma precisa a las mediciones tradicionales de desplazamiento. Segundo, se llevan a cabo ensayos dinámicos controlados en los que se compara el rendimiento de LARA con acelerómetros comerciales (IOLITEI-3XMEMS-ACC-S). Los resultados muestran que LARA identifica las frecuencias fundamentales con errores inferiores al 2% y estima ratios de amortiguamiento con desviaciones inferiores al 4%. Estos resultados constituyen el primer referente cuantitativo sobre el uso de sensores de bajo coste en el análisis dinámico de puentes, estableciendo niveles de rendimiento validados que antes no estaban disponibles en la literatura. Tercero, se desarrolla y valida un procedimiento automatizado completo para la identificación modal, que integra filtrado de ruido, algoritmos de selección de picos, descomposición en el dominio de la frecuencia y control de calidad. Aplicado a un puente isostático de hormigón armado en el País Vasco, el procedimiento permitió extraer parámetros modales bajo excitación ambiental con suficiente fidelidad para la actualización de un modelo de elementos finitos (MAC>0.90), siendo una de las primeras demostraciones de calibración de modelos estructurales impulsada por sensores de bajo coste en condiciones operativas. Cuarto, la tesis evalúa la sostenibilidad del sistema LARA desde una perspectiva ambiental, económica y social. Los resultados indican una huella de carbono reducida y la posibilidad de ampliar la cobertura de monitorización a una fracción del coste de los sistemas comerciales, contribuyendo además a varios Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas. A partir de dos campañas experimentales en puentes y múltiples escenarios de carga, se confirma que LARA alcanza una precisión operativa comparable a la de sensores comerciales (errores de frecuencia inferiores al 3% y correlación modal superior a 0.85) con un coste aproximado del 8–10%. La principal contribución de esta tesis es la demostración empírica de que los sensores de bajo coste pueden desempeñar de forma fiable tareas de identificación estructural tradicionalmente reservadas a instrumentación costosa, proporcionando una base científica sólida para la democratización del monitoreo estructural.
DOCTORAT EN ENGINYERIA DE LA CONSTRUCCIÓ (Pla 2012)
Processing Request
No Comments.