Uporaba mostnega sistema za tehtanje vozil med vožnjo za spremljanje konstrukcijskega stanja premostitvenih objektov : doktorska disertacija

Hekič, Doron (avtor), Češarek, Peter (mentor), Žnidarič, Aleš (komentor), Lopatič, Jože (član komisije za zagovor), Limongelli, Maria Pina (član komisije za zagovor), Štrukelj, Andrej (član komisije za zagovor)

Ageing transport infrastructure and increasing traffic loads increase the demand for more accurate and detailed structural assessments supported by more and more data. One advanced method addressing this need is structural health monitoring (SHM), as a complement to classic bridge inspections. SHM is often associated with finite element model updating (FEMU), a key to improving finite element (FE) models by aligning their performance with measured structural responses. Traditionally, FEMU relies on structural dynamic properties, such as natural frequencies and mode shapes obtained from acceleration data. In contrast, static data sets, such as traffic-induced displacements and strains of the structure, are used less frequently due to logistical and cost-related challenges. This thesis investigates the potential of employing strain measurements and strain influence lines (ILs), derived from bridge weigh-in-motion (B-WIM) measurements and originally designed for traffic load monitoring, for FEMU purposes. A series of studies was conducted on two multi-span concrete roadway bridges equipped with B-WIM and SHM systems. Various FEMU strategies, including residual minimisation (RM) and error-domain model falsification (EDMF), were applied, using both structural dynamic properties and static data sets, to update FE model parameters such as stiffness and boundary conditions of structural elements. The thesis provides new insight into the role of manual FEMU, the limitations regarding the number of parameters to be updated, the influence of non-structural elements, the challenges of combining static data sets and structural dynamic properties for FEMU and the validation of updated FE models with independently measured displacements. Importantly, it demonstrates the integration of B-WIM-measured strains and B-WIM-derived strain ILs into FEMU workflows. The results suggest that the measurements on bridges, which a B-WIM traditionally uses to calculate vehicle loads, can be effectively repurposed for FEMU. The two investigated parameters were the maximum measured traffic-induced strains and B-WIM-derived strain ILs. Combining structural dynamic properties and static data sets proved challenging and sometimes yielded contradictory FEMU results. This is a critical reminder for future FEMU studies that rely solely on structural dynamic properties. Finally, the important conclusion of the studies was that the updated stiffness of both superstructures was more than 20% higher than in the original design documentation, demonstrating a clear reserve in their performance. Additionally, at the considered load levels, the concrete safety barriers contributed not only to the additional mass but also to the stiffness of the structure.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: built environment, doctoral dissertation, bridge, weigh-in-motion, traffic loading, finite element model updating, structural health monitoring, influence line
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
• Organizacija: FGG - Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo
• Kraj izida: Ljubljana
• Založnik: [D. Hekič]
• Leto izida: 2025
• Št. strani: XIV, 74 str., [78] str. pril.
• PID: 20.500.12556/RUL-174651
• UDK: 624.21:681.264.4(043.3)
• COBISS.SI-ID: 252424707
• Datum objave v RUL: 08.10.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Using bridge weigh-in-motion system for structural health monitoring of bridges : doctoral dissertation

Izvleček

Starajoča se prometna infrastruktura in naraščajoče prometne obremenitve povečujejo potrebo po natančnejših in podrobnejših ocenah konstrukcijskega stanja mostov, ki temeljijo na vedno večji količini podatkov. Ena izmed naprednih metod, ki odgovarja na to potrebo, je spremljanje konstrukcijskega stanja oziroma zdravja mostov (angl. structural health monitoring – SHM), ki dopolnjuje klasične preglede mostov. SHM pogosto povezujemo s posodabljanjem modelov s končnimi elementi (angl. finite element model updating – FEMU), ki jih poskušamo čim bolj uskladiti z izmerjenimi odzivi realne konstrukcije. Tradicionalno se FEMU opira na dinamične lastnosti konstrukcije, kot so lastne frekvence in nihajne oblike, pridobljene iz meritev pospeškov. Nasprotno se tako imenovani statični podatkovni nizi, kot so pomiki in specifične deformacije pod prometno obremenitvijo, redkeje uporabljajo zaradi logističnih in stroškovnih omejitev. Doktorska disertacija se posveča raziskovanju možnosti uporabe meritev specifičnih deformacij in vplivnic specifičnih deformacij, ki jih pridobimo iz meritev mostnega sistema za tehtanje vozil med vožnjo (angl. bridge weigh-in-motion – B-WIM). Ti merilni sistemi so bili prvotno zasnovani za spremljanje prometnih obremenitev, v naših raziskavah pa smo preverjali možnosti uporabe njihovih rezultatov za namene FEMU. Na dveh betonskih cestnih mostovih preko več polj, opremljenih s sistemoma SHM in BWIM, smo opravili različne študije FEMU, vključno z metodo ovrgljivosti modela v domeni napak (angl. error-domain model falsification – EDMF) in minimizacije preostanka (angl. residual minimisation – RM), kjer smo ob uporabi tako dinamičnih lastnosti konstrukcije kot statičnih podatkovnih nizov posodobili parametre modela s končnimi elementi, kot sta togost in robni pogoji. Disertacija prinaša nova spoznanja o vlogi ročnega FEMU, omejitvah glede števila parametrov, ki jih je mogoče posodabljati, vplivu nekonstrukcijskih elementov na rezultate FEMU, izzivih kombiniranja statičnih podatkovnih nizov in dinamičnih lastnosti konstrukcije pri FEMU ter o validaciji posodobljenih modelov s končnimi elementi z neodvisno izmerjenimi pomiki. In ključno: prikazuje vključitev s sistemom B-WIM izmerjenih specifičnih deformacij in vplivnic v postopke FEMU. Rezultati kažejo, da je mogoče meritve na mostovih s sistemi B-WIM, ki primarno služijo za račune prometnih obremenitev, učinkovito uporabiti tudi za FEMU. Obravnavali smo maksimalne, s sistemom B-WIM izmerjene specifične deformacije pod prometno obremenitvijo, in vplivnice specifičnih deformacij. Kombinacija dinamičnih lastnosti konstrukcije in statičnih podatkovnih nizov se je izkazala za zahtevno in je občasno privedla do nasprotujočih rezultatov FEMU. To služi kot pomembno opozorilo za prihodnje študije FEMU, ki posodabljajo modele s končnimi elementi zgolj na podlagi izmerjenih dinamičnih lastnosti konstrukcij. Pomembni ugotovitvi pri obeh obravnavanih mostovih sta bili tudi vrednost posodobljene togosti prekladne konstrukcije in interakcija betonskih varnostnih ograj s prekladno konstrukcijo. Togost prekladne konstrukcije je bila več kot 20% višja od navedene v projektni dokumentaciji, kar jasno kaže na rezerve v togosti. Tudi betonske varnostne ograje pri obravnavanih nivojih obremenitev niso prispevale zgolj k dodatni masi, temveč tudi togosti konstrukcije.

• Ključne besede: doktorske disertacije, grajeno okolje, most, tehtanje vozil med vožnjo, WIM, B-WIM, prometna obtežba, posodabljanje modelov s končnimi elementi, FEMU, spremljanje konstrukcijskega stanja, SHM, vplivnica