Operational modal analysis of a highway bridge using acquired data of different accelerometers

Les aplicacions de monitorització de la salut estructural (SHM) estan rebent cada vegada més atenció, això és perquè mitjançant la seva aplicació es pot aconseguir la detecció i caracterització dels danys en una fase de prevenció. A més, SHM és un procés dissenyat per proporcionar informació precisa i exacta relacionada amb l'estat i rendiment d'una estructura al llarg del temps. Cal destacar que aquest monitoratge també pot ajudar en els processos de prendre de decisions per optimitzar el funcionament, proporcionar manteniment, reparar i, possiblement, substituir elements estructurals. Un sistema de monitoratge típic comprèn una xarxa de sensors encarregats de mesurar diferents paràmetres rellevants. Tot i això, l'elevat cost dels sensors comercials representa una limitació crítica per a la seva implantació. Per superar el cost elevat de la instrumentació, es poden desenvolupar i validar sensors de baix cost per a aplicacions de SHM. En aquest treball de fi de màster es fa una campanya experimental per a l'Anàlisi Modal Operativa (OMA) d'un pont de carretera utilitzant dos acceleròmetres: un prototip de baix cost (LARA: Low-cost Adaptable Reliable Accelerometer) i un de comercial (PCB 907A61). Amb la finalitat d'avaluar la fiabilitat de les dades adquirides per LARA i validar-les com a acceleròmetres de baix cost per a la monitorització de la salut estructural, es van instal·lar aquests sensors en un pont de carretera ubicat a Andoain, País Basc. Els resultats obtinguts per a cada tipus d'acceleròmetre es van comparar amb el Criteri de Garantia Modal (MAC) i es va avaluar la diferència entre les freqüències pròpies calculades. A més, els paràmetres modals obtinguts durant la campanya experimental es van fer servir per calibrar un model d'elements finits del pont en estudi. Aquest procés es va fer per obtenir una representació més propera a l'estat real de l'estructura.Las aplicaciones de monitorización de la salud estructural (SHM) están recibiendo cada vez más atención, esto se debe a que mediante su aplicación se puede lograr la detección y caracterización de los daños en una fase de prevención. Además, SHM es un proceso diseñado para proporcionar información precisa y exacta relacionada con el estado y el rendimiento de una estructura a lo largo del tiempo. Cabe destacar que esta monitorización también puede ayudar en los procesos de toma de decisiones para optimizar el funcionamiento, proporcionar mantenimiento, reparar y, posiblemente, sustituir elementos estructurales. Un sistema de monitorización típico comprende una red de sensores encargados de medir diferentes parámetros relevantes. Sin embargo, el elevado coste de los sensores comerciales representa una limitación crítica para su implantación. Para superar el elevado coste de la instrumentación, se pueden desarrollar y validar sensores de bajo coste para aplicaciones de SHM. En este trabajo de fin de máster se realiza una campaña experimental para el Análisis Modal Operativo (OMA) de un puente de carretera utilizando dos acelerómetros: un prototipo de bajo coste (LARA: Low-cost Adaptable Reliable Accelerometer) y uno comercial (PCB 907A61). Con la finalidad de evaluar la fiabilidad de los datos adquiridos por LARA y validarlos como acelerómetros de bajo coste para la monitorización de la salud estructural, se instalaron estos sensores en un puente de carretera ubicado en Andoain, País Vasco. Los resultados obtenidos para cada tipo de acelerómetro se compararon bajo el Criterio de Garantía Modal (MAC) y se evaluó la diferencia entre las frecuencias propias calculadas. Además, los parámetros modales obtenidos durante la campaña experimental se utilizaron para calibrar un modelo de elementos finitos del puente en estudio. Este proceso se realizó a fin de obtener una representación más cercana al estado real de la estructura.Structural health monitoring (SHM) applications are increasingly getting more attention. It is due to the fact that through their implementation, the detection and characterization of damage during a prevention phase can be achieved. Furthermore, SHM is a process designed to provide precise and accurate information associated with the condition and performance of a structure over time. It should be noted that SHM can also help with decision-making processes to optimize the operation, provide maintenance, repair, and possibly replace structural elements. A typical monitoring system comprises a network of sensors in charge of measuring different relevant parameters. However, the high cost of commercial sensors can be a critical limitation for their implementation. To overcome the high cost of instrumentation, low-cost sensors can be developed and validated for SHM applications. This Master's thesis carries out an experimental campaign for the Operational Modal Analysis (OMA) of a highway bridge using two accelerometers: a low-cost prototype (LARA: Low-cost Adaptable Reliable Accelerometer) and a commercial one (PCB 907A61). In order to evaluate the reliability of the data acquired by LARA and to validate it as a low-cost accelerometer for structural health monitoring, these accelerometers were mounted on a highway bridge located in Andoain, Basque Country. The results obtained for each type of accelerometer are compared by using the Modal Assurance Criteria (MAC) and assessing the difference between the analyzed eigenfrequencies. Moreover, the modal parameters obtained during the experimental campaign are used to calibrate a finite element model of this bridge. This analytical model is calibrated to have a closer representation of the real state of the structure

Laboratory validation of an Arduino based accelerometer designed for SHM applications

Nowadays, low-cost sensors based on low-cost microcontrollers and microprocessors are gaining a lot of attention from researchers. This increasing interest is due to the fact that the implementation of low-cost solutions may make Structural Health Monitoring (SHM) applicable and affordable to structures with a low budget for their SHM. However, many of the present solutions do not have comparable accuracy and resolution with those of the traditional commercial accelerometers. Also, the noise density of these newly developed prototypes has not been checked through laboratory experiments. In fact, the characteristics of the designed and created accelerometer are simply copied from the datasheet of the chipset used to develop the solution. Moreover, the sampling frequency of the majority of the available low-cost solutions usually is lower than 100 Hz. This paper presents a consistent work with the development of a low-cost wireless accelerometer with a sampling frequency of 333 Hz and noise density of 51µg/vHz. This accelerometer's accuracy, noise density, and reliability are evaluated through a series of laboratory experiments. It is essential to mention that this accelerometer does not need any additional data acquisition equipment and is self-sufficient.Postprint (published version