Tiivistelmä. Tässä diplomityössä perehdytään siltojen monitorointiin, eli siltojen tilan, kunnon ja toiminnan seurantaan käyttäen automaattisia mittaus- ja analysointilaitteita. Diplomityö jakautuu kirjallisuusselvitykseen ja käytännön tutkimukseen. Kirjallisuuskatsauksessa selvitetään siltojen monitorointiin liittyviä kansainvälisiä käytäntöjä, standardeja ja käytetyimpiä anturityyppejä. Työssä esitellään erilaisia siltojen monitorointiprojekteja sekä Suomesta että maailmalta. Diplomityössä hyödynnetään aiheeseen liittyviä kansainvälisiä ja kotimaisia julkaisuja.
Kirjallisuuskatsauksessa todettiin, että 2000-luvulla nopea tekniikan kehitys on vauhdittanut ja lisännyt siltojen monitoroinnin käyttö- ja hyödyntämismahdollisuuksia. Selvityksessä painottui monitoroinnin suunnittelun tärkeys. Ennen monitorointiprojektin aloittamista on tärkeä etukäteen määritellä mitä, miten ja miksi monitoroidaan. Kirjallisuusselvityksen perusteella venymän, lämpötilan ja värähtelyn todettiin olevan kolme yleisintä mittaussuuretta kansainvälisissä siltojen monitorointiprojekteissa. Tärkeä havainto oli myös siltojen monitorointiin liittyvän yhtenäisen standardisoinnin ja lainsäädännön puuttuminen. Monilla valtioilla on siltojen monitorointiin liittyviä ohjeita ja käsikirjoja, mutta ainoastaan Kiinassa on standardeja, joissa asetetaan suora vaatimus tietyntyyppisten siltojen monitoroinnille.
Diplomityön käytännön tutkimus pohjautuu käynnissä olevaan Oulun kaupungin tilaamaan Tuiranväylän sillan monitorointihankkeeseen. Tuiranväylän sillan mittausdataa hyödyntämällä selvitetään keinoja monitoroinnin kustannusten pienentämiseen anturien lukumäärää vähentämällä. Tavoitteena on selvittää, riittääkö venymäliuska-antureiden kiinnittäminen vain betonin pintaan betoniraudoitteen sijasta. Samalla arvioidaan venymäliuskamittaukseen liittyviä epävarmuustekijöitä. Tämän lisäksi tutkitaan voiko keskellä siltaa ilmenevän vaurion huomata reunimmaisten silta-aukkojen antureiden mittaustulosten muutoksesta tarpeeksi luotettavasti.
Tutkimus suoritettiin tarkastelemalla Tuiranväylän sillan monitoroinnista saatua mittausdataa sekä sillasta laadittua FEM-rakennemallia. Eri antureiden mittaustuloksia verrattiin sillan rakennemalliin, jonka perusteella suoritettiin vertailua venymäliuskojen kiinnitystapojen välillä. Vertailun tuloksena todettiin, että betonipintaan kiinnitetyt venymäliuskat olisivat olleet riittäviä luotettavan mittaustuloksen saamiseen, kun taas betoniraudoitteisiin kiinnitettyjen liuskojen mittaustuloksiin liittyi enemmän vaihtelua ja epävarmuutta.
Venymäantureiden sijoitteluun liittyvä tutkimusosuus toteutettiin simuloimalla keskelle siltaa syntyvää vauriota sillan rakennemallissa. Vauriota simuloitiin pienentämällä rakennemallissa sillan pääpalkin jäykkyyttä oletetussa vauriokohdassa. Tutkimuksen tuloksena todettiin, että sillan keskikohdalla syntyvää vauriota ei pysty luotettavasti havaitsemaan kauempana vauriokohtaa sijaitsevista venymäantureista ennen kuin vaurio on tapahtunut. Tuloksen perusteella tehtiin johtopäätös, että venymäantureiden asentaminen ainoastaan sillan reuna-aukkoihin ei olisi ollut riittävää vaurion havaitsemiseen muualta sillasta.
Diplomityön tulokset perustavat Tuiranväylän siltaan ja sen mittausdataan, eikä niitä voi suoraan yleistää tai verrata muihin monitorointihankkeisiin. Tulokset antavat kuitenkin hyvin tietoa liittyen eroihin venymäliuskojen kiinnitystavoissa ja sijainneissa.Structural health monitoring of bridges : case study Tuiranväylä bridge. Abstract. In this thesis the structural health monitoring (SHM) of bridges is explored. SHM means the monitoring of the condition, state, and operation of bridges by using automatic sensing and analyzing technology. The thesis is divided into literature review and practical study. The literature review examines international methods, standards, and the most used types of sensors for bridge SHM. The thesis demonstrates different bridge monitoring projects from Finland and abroad. The thesis draws on international and domestic publications on the subject.
The literature review revealed that rapid advances in technology in the 21st century have accelerated and increased the potential for the application of bridge SHM. The review revealed that pre-designing is important in SHM. Before starting a monitoring project, it is important to define in advance what is to be monitored, how it is done and why it is needed. Based on the literature review, strain, temperature, and vibration were the three most measured variables in international SHM projects of bridges. Another important finding was the lack of uniform standardisation and legislation for bridge SHM. Many countries have guidelines and manuals for bridge monitoring, but only China has standards that require monitoring of certain types of bridges.
The research of this thesis is based on an ongoing monitoring project for the Tuiranväylä bridge commissioned by the City of Oulu. Using the measurement data from the Tuiranväylä bridge, ways to reduce the cost of monitoring by using fewer sensors is explored. The aim is to determine whether it is sufficient to attach strain gauge sensors only to the concrete surface instead of on reinforcing bars. In addition, the uncertainties associated with strain gauge measurement will be assessed. Furthermore, it will be investigated whether the damage in the middle of the bridge can be detected reliably enough from the change in the measurements of the sensors that are placed in the edge bridge openings.
the Tuiranväylä bridge and the finite element method (FEM). The measurement results from the different sensors were compared with the FEM model to evaluate the different ways of attaching the gauges. The result of the comparison was that the strain gages attached to the concrete surface would have been sufficient in obtaining a reliable measurement result, whereas the measurement results of the gauges attached to the reinforcing bars had more variability and uncertainty.
The research section related to the locations of strain gauges was conducted by simulating the damage in the middle of the bridge in the FEM model. The damage was simulated by reducing the stiffness of the main bridge beam at the assumed damage location in the FEM model. As a result of the study, was that the failure at the centre of the bridge cannot be reliably detected by strain gauges further away from the failure location before the failure has occurred. The conclusion is that installing strain gauges only at the edge of the bridge would not have been sufficient in detecting damage elsewhere on the bridge.
The results of the thesis are based on the Tuiranväylä bridge and its sensor data and cannot be generalised or directly compared to other monitoring projects. However, the results provide useful insight to the differences in the locations and ways of attaching strain gauges
