Robust estimation of axial loads sustained by tie-rods in historical structures using Artificial Neural Networks

[EN] Widely used simplified analytical methods for estimating the tensile force in tie-rods are clearly not applicable when they contain significant discontinuities or irregularities. A common example for which this fact becomes relevant in practice is the use of connectors to unify historical ties consisting of several segments. To address this challenge, a robust hybrid methodology is proposed which can be applied to any historical tie by employing a data-driven approach to a dataset generated using the finite element method. The methodology is applied to a real case study involving two historical ties.The author(s) disclosed receipt of the following financial support for the research, authorship, and/or publication of this article: This work was supported by the Servei del Patrimoni Arquitectònic of the Generalitat de Catalunya through a project (managed by the City Council of Sant Cugat) aimed at monitoring the church of the Monastery of Sant Cugat (grant number C-10764); the Ministry of Science, Innovation and Universities of the Spanish Government and the ERDF (European Regional Development Fund) through the SEVERUS project (Multilevel evaluation of seismic vulnerability and risk mitigation of masonry buildings in resilient historical urban centres) (grant number RTI2018-099589-B-I00); and the AGAUR agency of the Generalitat de Catalunya in the form of the predoctoral grant of the first author.Makoond, NC.; Pelà, L.; Molins, C. (2023). Robust estimation of axial loads sustained by tie-rods in historical structures using Artificial Neural Networks. Structural Health Monitoring. 22(4):2496-2515. https://doi.org/10.1177/147592172211233262496251522

Robust estimation of axial loads sustained by tie-rods in historical structures using Artificial Neural Networks

Widely used simplified analytical methods for estimating the tensile force in tie-rods are clearly not applicable when they contain significant discontinuities or irregularities. A common example for which this fact becomes relevant in practice is the use of connectors to unify historical ties consisting of several segments. To address this challenge, a robust hybrid methodology is proposed which can be applied to any historical tie by employing a data-driven approach to a dataset generated using the finite element method. The methodology is applied to a real case study involving two historical ties.The authors disclosed receipt of the following financial support for the research, authorship, and/or publication of this article: This work was supported by the Servei del Patrimoni Arquitect`onic of the Generalitat de Catalunya through a project (managed by the City Council of Sant Cugat) aimed at monitoring the church of the Monastery of Sant Cugat [grant number C-10764]; the Ministry of Science, Innovation and Universities of the Spanish Government and the ERDF (European Regional Development Fund) through the SEVERUS project (Multilevel evaluation of seismic vulnerability and risk mitigation of masonry buildings in resilient historical urban centres) [grant number RTI2018-099589-B-I00]; and the AGAUR agency of the Generalitat de Catalunya in the form of the predoctoral grant of the first author.Peer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i InfraestructuraObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i Infraestructura::9.1 - Desenvolupar infraestructures fiables, sostenibles, resilients i de qualitat, incloent infraestructures regionals i transfrontereres, per tal de donar suport al desenvolupament econòmic i al benestar humà, amb especial atenció a l’accés assequible i equitatiu per a totes les personesObjectius de Desenvolupament Sostenible::11 - Ciutats i Comunitats SosteniblesObjectius de Desenvolupament Sostenible::11 - Ciutats i Comunitats Sostenibles::11.4 - Redoblar els esforços per a protegir i salvaguardar el patrimoni cultural i natural del mónPostprint (author's final draft

Dynamic elastic properties of brick masonry constituents

When subjected to dynamic loading, materials can exhibit a mechanical behaviour quite different from its static counterpart. The evaluation of dynamic properties is thus very useful in the assessment of existing masonry structures. This paper presents results of an experimental campaign to determine both the dynamic Young’s modulus and the shear modulus of brick masonry constituents through two non-destructive testing methods. Following a discussion on the reliability of the methods, a robust procedure is described and tested on a variety of samples. The results show that the techniques can be successfully applied to provide reliable estimates of the dynamic elastic properties of brick masonry constituents.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Static structural health monitoring and automated data analysis procedures applied to the diagnosis of a complex medieval masonry monastery

Copyright 2020 Society of Photo‑Optical Instrumentation Engineers (SPIE). One print or electronic copy may be made for personal use only. Systematic reproduction and distribution, duplication of any material in this publication for a fee or for commercial purposes, and modification of the contents of the publication are prohibited.Static structural health monitoring (SHM), aimed at the continuous measurement of slow-varying parameters over a long period, has been proved to be a powerful tool to support the diagnosis of masonry heritage structures. In such applications, the initial interpretation task involves the identification of evolutionary conditions from recorded data. However, this can be difficult since monitored features are influenced by environmental changes. In addition, many masonry heritage structures are characterised by a complex structural behaviour stemming from the interaction among different elements, making the task of interpreting SHM data for diagnosis very challenging. One such structure is the church of the monastery of Sant Cugat close to Barcelona, built mostly between the 12th and 15th centuries. Certain key structural parameters of the church have been monitored since 2017 with the aim of understanding the cause of visible pathologies and identifying any active deterioration mechanisms that could pose a threat to the structural integrity of the church in the future. This paper presents the application of an automated data analysis methodology to this problem. The method uses dynamic regression models to filter out components related to reversible seasonal fluctuations from measurements and automatically classifies monitored parameters into evolutionary states based on predicted evolution rates and dispersion metrics from the filtering procedure. A tool is presented which allows analysis results to be updated as new data is received. Finally, results from the proposed methodology are used for the diagnosis of the structure and their usefulness in a broader decision-making framework is discussed.This research has received _nancial support from the City Council of Sant Cugat (Ajuntament de Sant Cugat) through a project aimed at monitoring the structure of the church of the monastery of Sant Cugat (ref. num. C-10764). The authors also gratefully acknowledge the _nancial support from the Ministry of Science, Innovation and Universities of the Spanish Government (MCIU), the State Agency of Research (AEI), as well as the ERDF (European Regional Development Fund), through the SEVERUS project (Multilevel evaluation of seismic vulnerability and risk mitigation of masonry buildings in resilient historical urban centres, ref. num. RTI2018- 099589-B-I00). Support from the AGAUR agency of the Generalitat de Catalunya and the European Social Fund, in the form of a pre-doctoral grant awarded to the corresponding author is also gratefully acknowledged.Postprint (author's final draft

Automated data analysis for static structural health monitoring of masonry heritage structures

This is the peer reviewed version of the following article: [Makoond, N, Pelà, L, Molins, C, Roca, P, Alarcón, D. Automated data analysis for static structural health monitoring of masonry heritage structures. Struct Control Health Monit. 2020; 27:e2581. https://doi.org/10.1002/stc.2581], which has been published in final form at https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/stc.2581. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving.Masonry heritage structures are often affected by slow irreversible deterioration mechanisms that can jeopardise structural stability in the foreseeable future. Static structural health monitoring (SHM), aimed at the continuous measurement of key slow-varying parameters, has the potential to identify such mechanisms at a very early stage. This can greatly facilitate the implementation of adequate preventive and remedial measures, which can be critical to ensure that such structures are preserved for generations to come. However, because monitored parameters usually experience reversible seasonal variations of the same order of magnitude as changes caused by active mechanisms, identification of the latter is often a difficult task. This paper presents a fully integrated automated data analysis procedure for complete static SHM systems utilising dynamic linear regression models to filter out the effects caused by environmental variations. The method does not only produce estimated evolution rates but also classifies monitored responses in predefined evolution states. The procedure has successfully been used to identify vulnerable areas in two important medieval heritage structures in Spain, namely, the cathedral of Mallorca and the church of the monastery of Sant Cugat.Ajuntament de Sant Cugat through a project aimed at monitoring the Monastery of Sant Cugat, ref. num. C-10764. Ministry of Education, Culture and Sports of the Spanish Government through a project aimed at studying the structural condition of Mallorca Cathedral, ref. num. 2/131400106ca - 5/030300592 EF. AGAUR agency of the Generalitat de Catalunya and European Social Fund, through a predoctoral grant awarded to the corresponding author. Ministry of Science, Innovation and Universities of the Spanish Government and European Regional Development Fund through the SEVERUS project, ref. num. RTI2018-099589-B-100.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Preventing failure propagation in steel truss bridges

[EN] Metal and steel truss bridges are essential for transportation networks worldwide but are vulnerable to collapse due to deterioration and increasing traffic loads, par-ticularly for ageing structures. Several bridge collapses, such as the Seongsu bridge (South Korea, 1994), I-35 bridge (USA, 2007), and Chauras bridge (India, 2012), have highlighted the need to develop accurate robustness assessment strategies and efficient mitigation of collapse risks. This paper summarizes results of experi-mental and computational studies for a steel riveted bridge with a truss-type struc-ture. The experimental component presented involves unique tests to be performed on a 21 m full-scale bridge span subjected to the failure of different elements under laboratory conditions. The paper then presents a first approach to explore different damage and failure scenarios for steel truss bridges, which will assist in defining data collection strategies for optimised monitoring and developing data analysis methods for real-time diagnosis of ageing bridges. With this, the paper contributes to avoiding progressive collapses and presents a framework, developed as part of an ongoing project, to identify vulnerable zones for prioritising monitoring systems that anticipate failure propagation and prevent collapse. The framework is based on a systematic analysis of past bridge failures and simulations of carefully designed generic cases.Sánchez-Rodríguez, A.; López, S.; Makoond, NC.; Buitrago, M.; Riveiro, B.; Adam, JM. (2023). Preventing failure propagation in steel truss bridges. Ernst & Sohn, Wiley Online Library. 2206-2213. https://doi.org/10.1002/cepa.23772206221

Structural diagnosis of masonry heritage : contributions to non-destructive testing, structural health monitoring and risk assessment.

Many cultural heritage sites across the globe consist of masonry structures. To ensure the preservation of such structures, an accurate evaluation of their current structural condition is often of utmost importance. However, recurrent uncertainties regarding material properties and the complex interaction among structural elements often makes this a challenging task. As a consequence, there has been a considerable research effort on the development of methods and tools that can facilitate this task, and experts responsible for the evaluation of unique masonry structures usually need to weigh information from various diagnosis activities before deciding the best course of action for preservation. In a first instance, the research work presented in this thesis contributes to the enhancement of some key methods for the analysis of masonry structures. Specific topics dealing with materials testing, full-scale vibration testing, and static structural health monitoring (SHM) are addressed. Subsequently, this is built upon to develop specific decision support tools that can assist decision-making for risk mitigation. The research in materials testing involved an experimental study on the dynamic elastic properties of brick masonry constituents, which are known to differ from their static counterpart. Despite being a fundamental deformation property, experimentally determining the static elastic moduli of brick masonry constituents remains a challenging task. Following an experimental campaign, this research proposes a robust procedure based on the synergy of two non-destructive testing methods to reliably estimate the dynamic elastic and shear moduli of such materials. In addition, an empirical expression to estimate the static elastic modulus of constituents from its dynamic counterpart is also provided. With respect to vibration testing, the present study deals specifically with masonry bell towers and the operational modal analysis (OMA) techniques used to extract modal parameters from test acquisitions. Despite significant advances in OMA techniques, the accuracy of resulting estimates from vibration tests are still highly dependent on test conditions, acquisition quality, and on the techniques employed for modal parameter estimation. This work first aimed to design a suitable acquisition system and program for the vibration testing of the bell tower of Seu Vella in Lleida, Catalonia. Several system identification and modal analysis techniques were investigated and the most suitable ones for identifying particular modal parameters under varying acquisition conditions are discussed. The SHM research component is particularly focused on data analysis for static SHM systems, which involve the continuous measurement of key slow-varying parameters over long time periods. Although such systems have the potential to identify slow irreversible deterioration mechanisms in masonry structures at a very early stage, the interpretation of acquired data can be difficult, particularly due to the influence of environmental factors. This research proposes a fully automated data analysis procedure able to filter out reversible environmental effects and classify monitored responses in pre-defined evolution states. The procedure has successfully been used to identify vulnerable areas in two important medieval heritage structures in Spain, namely the cathedral of Mallorca and the church of the monastery of Sant Cugat. Finally, all the findings in specific topics are built upon to elaborate multi-criteria decision-making (MCDM) tools meant to improve the objectivity, clarity, and transparency of risk mitigation decisions for masonry heritage. A systematic risk assessment procedure is proposed involving the computation of two MCDM indices: an index related to the estimated risk of damage, and another to the uncertainty behind this estimation. Applications to several case studies are also included to demonstrate the usefulness of the proposed tools.Muchos sitios de patrimonio cultural en todo el mundo consisten en estructuras de mampostería. Para asegurar la preservación de tales estructuras, la evaluación precisa de su condición estructural es a menudo de suma importancia. Sin embargo, las incertidumbres recurrentes con respecto a las propiedades de los materiales, así como la compleja interacción entre los distintos elementos estructurales a menudo hacen que esta sea una tarea desafiante. Como consecuencia, ha habido un esfuerzo de investigación considerable en el ámbito del desarrollo de métodos y herramientas que puedan facilitar esta tarea, y los expertos responsables de la evaluación de estructuras de mampostería generalmente necesitan sopesar la información de diversos estudios de diagnóstico antes de decidir el mejor curso de acción para su conservación. Las fuentes típicas de información son fuentes históricas, inspecciones in situ, ensayos no destructivos, auscultación estructural (SHM, del inglés Structural Health Monitoring) y el análisis estructural, entre otros. En una primera instancia, el trabajo de investigación presentado en esta tesis contribuye a la mejora de algunos métodos clave para el análisis de estructuras de mampostería. Se abordan temas específicos relacionados con los ensayos de materiales, los ensayos de vibración de estructuras y el SHM. Posteriormente, esto conduce al desarrollo de herramientas específicas de apoyo a la toma de decisiones que pueden ayudar en la toma de decisiones para la mitigación de riesgos. El trabajo de investigación realizado en el campo de los ensayos de materiales ha implicado un estudio experimental sobre las propiedades dinámicas elásticas de los componentes de mampostería de ladrillo, que se sabe que difieren de sus contrapartes estáticas. A pesar de ser una propiedad de deformación fundamental, la determinación experimental del módulo elástico estático en compresión para los componentes de la mampostería de ladrillo sigue siendo una tarea desafiante. Ello se debe principalmente a las dificultades inherentes en la medición precisa de las deformaciones en el rango de deformación elástica de materiales frágiles. Como resultado, las estimaciones del módulo estático muestran generalmente una dispersión mucho mayor que las involucradas en la determinación del módulo elástico dinámico. Aunque se prefiere la propiedad estática para las verificaciones estructurales comunes, la relación entre las dos aún no se comprende bien para los componentes típicos de mampostería de ladrillo. De hecho, existen muy pocos estudios que evalúen la idoneidad de diferentes técnicas para estimar las propiedades dinámicas elásticas de estos materiales. Como tal, actualmente hay muy poca orientación disponible sobre cómo estimar de manera fiable estas propiedades para dichos materiales. Tras una campaña experimental para determinar los módulos dinámicos elásticos y de corte de una variedad de ladrillos y morteros, esta investigación propone un procedimiento robusto basado en la combinación de dos métodos de ensayo no destructivos para estimar de manera fiable estas propiedades dinámicas. Además, también se proporciona una expresión empírica para estimar el módulo de elasticidad estático de los componentes de mampostería de ladrillo a partir de su contraparte dinámica. Con respecto a ensayos de vibración de estructuras, el presente estudio considera específicamente campanarios de mampostería y las técnicas de análisis modal operacional (OMA, del inglés Operational Modal Analysis)) utilizadas para extraer parámetros modales a partir de adquisiciones. A pesar de avances significativos en las técnicas de OMA, la precisión de las estimaciones resultantes de las pruebas de vibración aún depende en gran medida en las condiciones de la prueba, la calidad de la adquisición y las técnicas empleadas para la estimación de parámetros modales. Este trabajo tuvo como objetivo, en primer lugar, diseñar un sistema y programa de adquisición adecuados para ensayos de vibración del campanario de la Seu Vella en Lleida, Cataluña. Se investigaron varias técnicas de identificación de sistemas y de análisis modal y se discuten las más adecuadas para identificar parámetros modales particulares en diferentes condiciones de adquisición. El componente de SHM de esta investigación se ha centrado en el análisis de datos de sistemas de SHM estáticos que implican la medición continua de parámetros clave de variación lenta durante largos períodos de tiempo. Las estructuras patrimoniales de mampostería a menudo se ven afectadas por mecanismos lentos de deterioro irreversible que pueden poner en peligro la estabilidad estructural en un futuro próximo. El SHM estático tiene el potencial de identificar tales mecanismos en etapas tempranas. Ello puede facilitar enormemente la implementación de medidas preventivas y correctivas adecuadas que pueden ser críticas para asegurar que tales estructuras se preserven para las generaciones venideras. Sin embargo, dado que los parámetros monitoreados generalmente experimentan variaciones estacionales reversibles del mismo orden de magnitud que los cambios causados por mecanismos activos, la identificación de estos últimos es a menudo una tarea difícil. El Capítulo 5 de esta tesis presenta un procedimiento de análisis de datos automatizado totalmente integrado para sistemas completos de SHM estáticos que utilizan modelos de regresión lineal dinámica para filtrar los efectos causados por variaciones ambientales. El método no solo produce tasas de evolución estimadas, sino que también clasifica las respuestas monitoreadas en estados predefinidos de evolución. El procedimiento se ha utilizado con éxito para identificar áreas vulnerables en dos importantes estructuras patrimoniales medievales en España, a saber, la catedral de Mallorca y la iglesia del monasterio de Sant Cugat. Finalmente, todos los hallazgos anteriores se utilizan para la elaboración de herramientas de toma de decisiones multicriterio (MCDM, del inglés Muli-Criteria Decision-Making) destinadas a mejorar la objetividad, claridad y transparencia de las decisiones de mitigación de riesgos para estructuras patrimoniales de mampostería. Se propone un procedimiento sistemático de evaluación de riesgos que involucra el cálculo de dos índices MCDM: un índice relacionado con el riesgo estimado de daño y otro con la incertidumbre detrás de esta estimación. También se incluyen aplicaciones a varios casos de estudios para demostrar la utilidad de las herramientas propuestasUn gran nombre de llocs de patrimoni cultural consisteixen en estructures de maçoneria. La responsabilitat comuna de protegir aquestes estructures és ara àmpliament reconeguda i, sovint, és fonamental una avaluació acurada de la seva condició estructural actual per tal d’assegurar tal protecció. No obstant això, en molts casos, les incerteses recurrents en les propietats dels materials i la complexa interacció entre elements estructurals converteixen l’avaluació de la seguretat estructural en una tasca difícil. Com a conseqüència, hi ha hagut un considerable esforç investigador sobre el desenvolupament de mètodes i eines que puguin facilitar aquesta tasca, i els experts responsables de l’avaluació de la seguretat d’estructures del patrimoni de maçoneria necessiten normalment contrastar informació provinent de diverses activitats de diagnosi abans de decidir les millors actuacions per a la seva preservació. Les fonts típiques d’informació són documents històrics, inspeccions in situ, assajos no destructius, monitorització de l’estructura (SHM, de l’anglès Structural Health Monitoring), i anàlisi estructural, entre altres. En una primera instància, el treball de recerca presentat en aquesta tesi contribueix a la millora d’alguns mètodes clau per a l’anàlisi d’estructures de maçoneria. S’aborden temes específics relacionats amb l’assaig de materials, assajos de vibració d’estructures i SHM. Posteriorment, això condueix al desenvolupament d’eines específiques de suport a la presa de decisions que poden ajudar en la presa de decisions per a la mitigació de riscos. La recerca realitzada en el camp dels assajos de materials va implicar un estudi experimental de les propietats elàstiques dinàmiques de constituents de la fàbrica de maó, de les quals es coneix que difereixen de les estàtiques. Malgrat ser una propietat de deformació fonamental, la determinació experimental del mòdul elàstic estàtic a la compressió per a constituents de maçoneria de maó és encara una tasca desafiant. Això és principalment a causa de les dificultats vinculades a la forma exacta de mesurar tensions en el camp de deformació elàstic dels materials fràgils. Com a resultat, estimacions del mòdul estàtic mostren usualment una major dispersió que les estimacions obtingudes per al mòdul elàstic dinàmic. Tot i que la propietat estàtica és preferida per a verificacions estructurals comunes, encara cal entendre la relació entre la dues per a constituents de maçoneria de maó típics. De fet, hi ha molt pocs estudis que avaluïn la idoneïtat de diferents tècniques per a estimar les propietats elàstiques dinàmiques d’aquests materials. Com a tal, actualment no hi ha gaires orientacions disponibles per a estimar de manera fiable aquestes propietats per a tals materials. Després d’una campanya experimental per a determinar el mòdul elàstic dinàmic i de cisalla d’una varietat de materials constituents de maçoneria de maó, aquest treball proposa un procediment robust basat en la combinació de dos mètodes d’assaig no destructiu per a una estimació fiable d’aquestes propietats dinàmiques. A més a més, també es proporciona una expressió empírica per estimar el mòdul elàstic estàtic de constituents de fàbrica del maó a partir del seu homòleg dinàmic. Respecte als assajos de vibració, el present estudi tracta de campanars de maçoneria i de tècniques d’anàlisi modal operacional (OMA, de l’anglès Operational Modal Analysis) utilitzades per a extreure paràmetres modals (freqüències naturals, modes de vibració, i coeficients d’amortiment) a partir d’assajos d’adquisició. Malgrat avanços significatius en la identificació de sistemes i les tècniques d’anàlisi modal, la precisió d’estimacions de paràmetres modals resultants d’assajos de vibració d’estructures encara són altament dependents de les condicions de l’assaig, la qualitat de l’adquisició i les tècniques emprades per a l’estimació dels paràmetres modals. Per tal d’entendre millor els efectes reals d’aquests factors en la pràctica, aquest treball ha dissenyat un sistema d’adquisició adequat i un programa per a l’assaig de vibració del campanar de la Seu Vella a Lleida, Catalunya. Dues freqüències naturals, incloent la fonamental, van ser clarament identificats a partir de les vibracions adquirides. Aquests resultats es van utilitzar per a calibrar un model d’elements finits de l’estructura i per a estimar el mòdul elàstic dinàmic del material de la torre. Es van investigar diverses tècniques d’identificació de sistema i d’anàlisi modal, i es discuteixen les més adequades en diferents condicions d’assaig. La part relacionada amb la monitorització en aquest treball s’ha enfocat particularment en l’anàlisi de dades obtingudes a partir de sistemes estàtics de SHM que consisteixen en la mesura contínua de paràmetres clau de variació lenta sobre períodes de temps llargs. Les estructures de patrimoni de maçoneria es veuen sovint afectades per mecanismes de deteriorament irreversibles i lents que poden posar en risc l’estabilitat estructural en un futur pròxim. El SHM estàtic té el potencial d’identificar tals mecanismes en etapes primerenques. Això pot facilitar la implementació de mesures preventives i de rehabilitació adequades, les quals poden ser crítiques per assegurar que tals estructures siguin preservades per a futures generacions. Tot i això, donat que els paràmetres controlats experimenten variacions estacionals reversibles del mateix ordre de magnitud com els canvis causats per mecanismes actius, la identificació d’aquests mecanismes és sovint una tasca difícil. Aquesta tesi presenta un procediment plenament automatitzat per a l’anàlisi de dades per a sistemes de SHM estàtics, el qual utilitza models de regressió lineals dinàmics per filtrar els efectes causats per variacions ambientals. El mètode no només produeix una estimació de les taxes d’evolució, sinó que també classifica les respostes monitorejades en diferents estats d’evolució predefinits. El procediment ha estat utilitzat amb èxit per a identificar àrees vulnerables en dos important estructures de patrimoni medieval a Espanya: la catedral de Mallorca i l’església del monestir de Sant Cugat. Finalment, totes les troballes anteriors s’utilitzen per a l’elaboració d’eines de presa de decisió multicriteri (MCDM, de l’anglès Multi-Criteria Decision-Making) destinades a millorar l’objectivitat, claredat i transparència de les decisions de mitigació de riscos per a estructures del patrimoni de maçoneria. Es proposa un procediment sistemàtic d’estimació de risc estructural que implica la computació de dos índexs MCDM: un índex relacionat amb el risc estimat de dany, i un altre relacionat ambla incertesa darrere d’aquesta estimació. Les aplicacions a diversos casos d’estudi també s’inclouen per demostrar la utilitat de les eines proposades

Structural diagnosis of masonry heritage : contributions to non-destructive testing, structural health monitoring and risk assessment.

Many cultural heritage sites across the globe consist of masonry structures. To ensure the preservation of such structures, an accurate evaluation of their current structural condition is often of utmost importance. However, recurrent uncertainties regarding material properties and the complex interaction among structural elements often makes this a challenging task. As a consequence, there has been a considerable research effort on the development of methods and tools that can facilitate this task, and experts responsible for the evaluation of unique masonry structures usually need to weigh information from various diagnosis activities before deciding the best course of action for preservation. In a first instance, the research work presented in this thesis contributes to the enhancement of some key methods for the analysis of masonry structures. Specific topics dealing with materials testing, full-scale vibration testing, and static structural health monitoring (SHM) are addressed. Subsequently, this is built upon to develop specific decision support tools that can assist decision-making for risk mitigation. The research in materials testing involved an experimental study on the dynamic elastic properties of brick masonry constituents, which are known to differ from their static counterpart. Despite being a fundamental deformation property, experimentally determining the static elastic moduli of brick masonry constituents remains a challenging task. Following an experimental campaign, this research proposes a robust procedure based on the synergy of two non-destructive testing methods to reliably estimate the dynamic elastic and shear moduli of such materials. In addition, an empirical expression to estimate the static elastic modulus of constituents from its dynamic counterpart is also provided. With respect to vibration testing, the present study deals specifically with masonry bell towers and the operational modal analysis (OMA) techniques used to extract modal parameters from test acquisitions. Despite significant advances in OMA techniques, the accuracy of resulting estimates from vibration tests are still highly dependent on test conditions, acquisition quality, and on the techniques employed for modal parameter estimation. This work first aimed to design a suitable acquisition system and program for the vibration testing of the bell tower of Seu Vella in Lleida, Catalonia. Several system identification and modal analysis techniques were investigated and the most suitable ones for identifying particular modal parameters under varying acquisition conditions are discussed. The SHM research component is particularly focused on data analysis for static SHM systems, which involve the continuous measurement of key slow-varying parameters over long time periods. Although such systems have the potential to identify slow irreversible deterioration mechanisms in masonry structures at a very early stage, the interpretation of acquired data can be difficult, particularly due to the influence of environmental factors. This research proposes a fully automated data analysis procedure able to filter out reversible environmental effects and classify monitored responses in pre-defined evolution states. The procedure has successfully been used to identify vulnerable areas in two important medieval heritage structures in Spain, namely the cathedral of Mallorca and the church of the monastery of Sant Cugat. Finally, all the findings in specific topics are built upon to elaborate multi-criteria decision-making (MCDM) tools meant to improve the objectivity, clarity, and transparency of risk mitigation decisions for masonry heritage. A systematic risk assessment procedure is proposed involving the computation of two MCDM indices: an index related to the estimated risk of damage, and another to the uncertainty behind this estimation. Applications to several case studies are also included to demonstrate the usefulness of the proposed tools.Muchos sitios de patrimonio cultural en todo el mundo consisten en estructuras de mampostería. Para asegurar la preservación de tales estructuras, la evaluación precisa de su condición estructural es a menudo de suma importancia. Sin embargo, las incertidumbres recurrentes con respecto a las propiedades de los materiales, así como la compleja interacción entre los distintos elementos estructurales a menudo hacen que esta sea una tarea desafiante. Como consecuencia, ha habido un esfuerzo de investigación considerable en el ámbito del desarrollo de métodos y herramientas que puedan facilitar esta tarea, y los expertos responsables de la evaluación de estructuras de mampostería generalmente necesitan sopesar la información de diversos estudios de diagnóstico antes de decidir el mejor curso de acción para su conservación. Las fuentes típicas de información son fuentes históricas, inspecciones in situ, ensayos no destructivos, auscultación estructural (SHM, del inglés Structural Health Monitoring) y el análisis estructural, entre otros. En una primera instancia, el trabajo de investigación presentado en esta tesis contribuye a la mejora de algunos métodos clave para el análisis de estructuras de mampostería. Se abordan temas específicos relacionados con los ensayos de materiales, los ensayos de vibración de estructuras y el SHM. Posteriormente, esto conduce al desarrollo de herramientas específicas de apoyo a la toma de decisiones que pueden ayudar en la toma de decisiones para la mitigación de riesgos. El trabajo de investigación realizado en el campo de los ensayos de materiales ha implicado un estudio experimental sobre las propiedades dinámicas elásticas de los componentes de mampostería de ladrillo, que se sabe que difieren de sus contrapartes estáticas. A pesar de ser una propiedad de deformación fundamental, la determinación experimental del módulo elástico estático en compresión para los componentes de la mampostería de ladrillo sigue siendo una tarea desafiante. Ello se debe principalmente a las dificultades inherentes en la medición precisa de las deformaciones en el rango de deformación elástica de materiales frágiles. Como resultado, las estimaciones del módulo estático muestran generalmente una dispersión mucho mayor que las involucradas en la determinación del módulo elástico dinámico. Aunque se prefiere la propiedad estática para las verificaciones estructurales comunes, la relación entre las dos aún no se comprende bien para los componentes típicos de mampostería de ladrillo. De hecho, existen muy pocos estudios que evalúen la idoneidad de diferentes técnicas para estimar las propiedades dinámicas elásticas de estos materiales. Como tal, actualmente hay muy poca orientación disponible sobre cómo estimar de manera fiable estas propiedades para dichos materiales. Tras una campaña experimental para determinar los módulos dinámicos elásticos y de corte de una variedad de ladrillos y morteros, esta investigación propone un procedimiento robusto basado en la combinación de dos métodos de ensayo no destructivos para estimar de manera fiable estas propiedades dinámicas. Además, también se proporciona una expresión empírica para estimar el módulo de elasticidad estático de los componentes de mampostería de ladrillo a partir de su contraparte dinámica. Con respecto a ensayos de vibración de estructuras, el presente estudio considera específicamente campanarios de mampostería y las técnicas de análisis modal operacional (OMA, del inglés Operational Modal Analysis)) utilizadas para extraer parámetros modales a partir de adquisiciones. A pesar de avances significativos en las técnicas de OMA, la precisión de las estimaciones resultantes de las pruebas de vibración aún depende en gran medida en las condiciones de la prueba, la calidad de la adquisición y las técnicas empleadas para la estimación de parámetros modales. Este trabajo tuvo como objetivo, en primer lugar, diseñar un sistema y programa de adquisición adecuados para ensayos de vibración del campanario de la Seu Vella en Lleida, Cataluña. Se investigaron varias técnicas de identificación de sistemas y de análisis modal y se discuten las más adecuadas para identificar parámetros modales particulares en diferentes condiciones de adquisición. El componente de SHM de esta investigación se ha centrado en el análisis de datos de sistemas de SHM estáticos que implican la medición continua de parámetros clave de variación lenta durante largos períodos de tiempo. Las estructuras patrimoniales de mampostería a menudo se ven afectadas por mecanismos lentos de deterioro irreversible que pueden poner en peligro la estabilidad estructural en un futuro próximo. El SHM estático tiene el potencial de identificar tales mecanismos en etapas tempranas. Ello puede facilitar enormemente la implementación de medidas preventivas y correctivas adecuadas que pueden ser críticas para asegurar que tales estructuras se preserven para las generaciones venideras. Sin embargo, dado que los parámetros monitoreados generalmente experimentan variaciones estacionales reversibles del mismo orden de magnitud que los cambios causados por mecanismos activos, la identificación de estos últimos es a menudo una tarea difícil. El Capítulo 5 de esta tesis presenta un procedimiento de análisis de datos automatizado totalmente integrado para sistemas completos de SHM estáticos que utilizan modelos de regresión lineal dinámica para filtrar los efectos causados por variaciones ambientales. El método no solo produce tasas de evolución estimadas, sino que también clasifica las respuestas monitoreadas en estados predefinidos de evolución. El procedimiento se ha utilizado con éxito para identificar áreas vulnerables en dos importantes estructuras patrimoniales medievales en España, a saber, la catedral de Mallorca y la iglesia del monasterio de Sant Cugat. Finalmente, todos los hallazgos anteriores se utilizan para la elaboración de herramientas de toma de decisiones multicriterio (MCDM, del inglés Muli-Criteria Decision-Making) destinadas a mejorar la objetividad, claridad y transparencia de las decisiones de mitigación de riesgos para estructuras patrimoniales de mampostería. Se propone un procedimiento sistemático de evaluación de riesgos que involucra el cálculo de dos índices MCDM: un índice relacionado con el riesgo estimado de daño y otro con la incertidumbre detrás de esta estimación. También se incluyen aplicaciones a varios casos de estudios para demostrar la utilidad de las herramientas propuestasUn gran nombre de llocs de patrimoni cultural consisteixen en estructures de maçoneria. La responsabilitat comuna de protegir aquestes estructures és ara àmpliament reconeguda i, sovint, és fonamental una avaluació acurada de la seva condició estructural actual per tal d’assegurar tal protecció. No obstant això, en molts casos, les incerteses recurrents en les propietats dels materials i la complexa interacció entre elements estructurals converteixen l’avaluació de la seguretat estructural en una tasca difícil. Com a conseqüència, hi ha hagut un considerable esforç investigador sobre el desenvolupament de mètodes i eines que puguin facilitar aquesta tasca, i els experts responsables de l’avaluació de la seguretat d’estructures del patrimoni de maçoneria necessiten normalment contrastar informació provinent de diverses activitats de diagnosi abans de decidir les millors actuacions per a la seva preservació. Les fonts típiques d’informació són documents històrics, inspeccions in situ, assajos no destructius, monitorització de l’estructura (SHM, de l’anglès Structural Health Monitoring), i anàlisi estructural, entre altres. En una primera instància, el treball de recerca presentat en aquesta tesi contribueix a la millora d’alguns mètodes clau per a l’anàlisi d’estructures de maçoneria. S’aborden temes específics relacionats amb l’assaig de materials, assajos de vibració d’estructures i SHM. Posteriorment, això condueix al desenvolupament d’eines específiques de suport a la presa de decisions que poden ajudar en la presa de decisions per a la mitigació de riscos. La recerca realitzada en el camp dels assajos de materials va implicar un estudi experimental de les propietats elàstiques dinàmiques de constituents de la fàbrica de maó, de les quals es coneix que difereixen de les estàtiques. Malgrat ser una propietat de deformació fonamental, la determinació experimental del mòdul elàstic estàtic a la compressió per a constituents de maçoneria de maó és encara una tasca desafiant. Això és principalment a causa de les dificultats vinculades a la forma exacta de mesurar tensions en el camp de deformació elàstic dels materials fràgils. Com a resultat, estimacions del mòdul estàtic mostren usualment una major dispersió que les estimacions obtingudes per al mòdul elàstic dinàmic. Tot i que la propietat estàtica és preferida per a verificacions estructurals comunes, encara cal entendre la relació entre la dues per a constituents de maçoneria de maó típics. De fet, hi ha molt pocs estudis que avaluïn la idoneïtat de diferents tècniques per a estimar les propietats elàstiques dinàmiques d’aquests materials. Com a tal, actualment no hi ha gaires orientacions disponibles per a estimar de manera fiable aquestes propietats per a tals materials. Després d’una campanya experimental per a determinar el mòdul elàstic dinàmic i de cisalla d’una varietat de materials constituents de maçoneria de maó, aquest treball proposa un procediment robust basat en la combinació de dos mètodes d’assaig no destructiu per a una estimació fiable d’aquestes propietats dinàmiques. A més a més, també es proporciona una expressió empírica per estimar el mòdul elàstic estàtic de constituents de fàbrica del maó a partir del seu homòleg dinàmic. Respecte als assajos de vibració, el present estudi tracta de campanars de maçoneria i de tècniques d’anàlisi modal operacional (OMA, de l’anglès Operational Modal Analysis) utilitzades per a extreure paràmetres modals (freqüències naturals, modes de vibració, i coeficients d’amortiment) a partir d’assajos d’adquisició. Malgrat avanços significatius en la identificació de sistemes i les tècniques d’anàlisi modal, la precisió d’estimacions de paràmetres modals resultants d’assajos de vibració d’estructures encara són altament dependents de les condicions de l’assaig, la qualitat de l’adquisició i les tècniques emprades per a l’estimació dels paràmetres modals. Per tal d’entendre millor els efectes reals d’aquests factors en la pràctica, aquest treball ha dissenyat un sistema d’adquisició adequat i un programa per a l’assaig de vibració del campanar de la Seu Vella a Lleida, Catalunya. Dues freqüències naturals, incloent la fonamental, van ser clarament identificats a partir de les vibracions adquirides. Aquests resultats es van utilitzar per a calibrar un model d’elements finits de l’estructura i per a estimar el mòdul elàstic dinàmic del material de la torre. Es van investigar diverses tècniques d’identificació de sistema i d’anàlisi modal, i es discuteixen les més adequades en diferents condicions d’assaig. La part relacionada amb la monitorització en aquest treball s’ha enfocat particularment en l’anàlisi de dades obtingudes a partir de sistemes estàtics de SHM que consisteixen en la mesura contínua de paràmetres clau de variació lenta sobre períodes de temps llargs. Les estructures de patrimoni de maçoneria es veuen sovint afectades per mecanismes de deteriorament irreversibles i lents que poden posar en risc l’estabilitat estructural en un futur pròxim. El SHM estàtic té el potencial d’identificar tals mecanismes en etapes primerenques. Això pot facilitar la implementació de mesures preventives i de rehabilitació adequades, les quals poden ser crítiques per assegurar que tals estructures siguin preservades per a futures generacions. Tot i això, donat que els paràmetres controlats experimenten variacions estacionals reversibles del mateix ordre de magnitud com els canvis causats per mecanismes actius, la identificació d’aquests mecanismes és sovint una tasca difícil. Aquesta tesi presenta un procediment plenament automatitzat per a l’anàlisi de dades per a sistemes de SHM estàtics, el qual utilitza models de regressió lineals dinàmics per filtrar els efectes causats per variacions ambientals. El mètode no només produeix una estimació de les taxes d’evolució, sinó que també classifica les respostes monitorejades en diferents estats d’evolució predefinits. El procediment ha estat utilitzat amb èxit per a identificar àrees vulnerables en dos important estructures de patrimoni medieval a Espanya: la catedral de Mallorca i l’església del monestir de Sant Cugat. Finalment, totes les troballes anteriors s’utilitzen per a l’elaboració d’eines de presa de decisió multicriteri (MCDM, de l’anglès Multi-Criteria Decision-Making) destinades a millorar l’objectivitat, claredat i transparència de les decisions de mitigació de riscos per a estructures del patrimoni de maçoneria. Es proposa un procediment sistemàtic d’estimació de risc estructural que implica la computació de dos índexs MCDM: un índex relacionat amb el risc estimat de dany, i un altre relacionat ambla incertesa darrere d’aquesta estimació. Les aplicacions a diversos casos d’estudi també s’inclouen per demostrar la utilitat de les eines proposades.Postprint (published version

A Risk Index for the Structural Diagnosis of Masonry Heritage (RISDiMaH)

[EN] Experts responsible for the safety evaluation of unique masonry heritage structures usually need to weigh information from various diagnosis activities before deciding the best course of action for preservation. Typical sources of valuable information are historical and in situ surveys and inspections, minor and non-destructive testing, structural health monitoring, and structural analysis, among others. Due to the complexity of the problem and singular aspects of monuments, these decisions are challenging and often made solely on the basis of expert judgement. A systematic risk assessment procedure is proposed involving the computation of two indices to facilitate the decision-making process: an index related to the estimated risk of damage, and another to the uncertainty behind this estimation. Results from applying the procedure to several case studies are provided to demonstrate its usefulness.This research has received the financial support from the Ministry of Science, Innovation and Universities of the Spanish Government (MCIU), the State Agency of Research (AEI), as well as that of the ERDF (European Regional Development Fund) through the SEVERUS project (Multilevel evaluation of seismic vulnerability and risk mitigation of masonry buildings in resilient historical urban centres, Ref. num. RTI2018-099589-B-I00). The corresponding author gratefully acknowledges the AGAUR agency of the Generalitat de Catalunya for the financial support of his predoctoral grant. The authors would like to thank Professor Pere Roca for providing diagnostic reports of several masonry heritage structures for this research. Besides, the authors are also grateful to Irene Josa for coming up with the acronym RISDiMaH.Makoond, NC.; Luca Pelà; Climent Molins (2021). A Risk Index for the Structural Diagnosis of Masonry Heritage (RISDiMaH). Construction and Building Materials. 284:1-34. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.12243313428

Dynamic elastic properties of brick masonry constituents

When subjected to dynamic loading, materials can exhibit a mechanical behaviour quite different from its static counterpart. The evaluation of dynamic properties is thus very useful in the assessment of existing masonry structures. This paper presents results of an experimental campaign to determine both the dynamic Young’s modulus and the shear modulus of brick masonry constituents through two non-destructive testing methods. Following a discussion on the reliability of the methods, a robust procedure is described and tested on a variety of samples. The results show that the techniques can be successfully applied to provide reliable estimates of the dynamic elastic properties of brick masonry constituents.Peer Reviewe