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Los puentes de arcos de mampostería (MAB) son vitales para las infraestructuras de transporte europeas, ya que representan el 40% de los puentes ferroviarios y el 25% de los de carretera. A pesar de su utilidad e importancia cultural, muchos MAB sufren deterioro de los materiales y problemas estructurales, por lo que no cumplen las normas de seguridad actuales. Por ello, es crucial realizar evaluaciones exhaustivas, como la modelización por elementos finitos (MEF). Esta tesis, «Modelización numérica del viaducto de la Joncadella y evaluación de su ciclo de vida», emplea el MEF para estudiar el viaducto de la Joncadella, un MAB ferroviario centenario. Inicialmente con arcos de mampostería y una viga de celosía de acero, el viaducto fue modificado en la década de 1950 con arcos de hormigón no armado. La investigación examina el comportamiento estático y dinámico del viaducto, sus deformaciones y tensiones en diversas condiciones, comparando los estados original y actual del puente. Se crearon tres modelos 3D detallados: uno para el estado actual, otro para el estado original y otro para la fase de construcción. Los análisis incluyeron análisis modal, análisis de gravedad lineal y una simulación dinámica de cruce de trenes. Los resultados indican que el estado actual del puente experimenta altas aceleraciones bajo carga dinámica y tensiones de tracción significativas, aunque presenta desplazamientos verticales menores que el estado original. A pesar de estos problemas, la fase de construcción no afectó significativamente a las tensiones o deformaciones en comparación con el modelo de puente original.

Masonry Arch Bridges (MABs) are vital to Europe's transport infrastructure, making up 40% of railway and 25% of roadway bridges. Despite their utility and cultural significance, many MABs suffer from material decay and structural issues, failing to meet current safety standards. Thus, comprehensive assessments, such as Finite Element Modelling (FEM), are crucial. This thesis, “Numerical Modelling of Joncadella Viaduct and Evaluation of its Life Cycle,” employs FEM to study the Joncadella Viaduct, a century-old railway MAB. Initially featuring masonry arches and a steel lattice girder, the viaduct was modified in the 1950s with unreinforced concrete arches. The research examines the viaduct's static and dynamic behavior, deformations, and stresses under various conditions, comparing the original and current states of the bridge. Three detailed 3D models were created: one for the current state, one for the original state, and one for the construction phase. Analyses included modal analysis, linear gravity analysis, and a dynamic train crossing simulation. Findings indicate that the current bridge state experiences high accelerations under dynamic loading and significant tensile stresses, although it has smaller vertical displacements than the original state. Despite these issues, the construction stage did not significantly affect stresses or deformations compared to the original bridge model.

Identifying the reasons for existing damages in masonry arch viaducts using a terrestrial laser scanner

Master thesis

Ferretiz Gatica, Luis Emanuel

Tutor / Supervisor: Pelà, Luca; Gönen, Semih

Publication date: 2024

Barcelona School of Civil Engineering (ETSECCPB)

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El projecte té com a objectiu investigar i detectar les principals causes dels danys i deformacions existents del viaducte de la Joncadella amb l'ús de núvols de punts, que es recullen mitjançant l'aplicació de l'escàner làser terrestre (TLS od LIDAR). L'objectiu inicial de la investigació és revisar breument el comportament estructural dels ponts d'arc de maçoneria, incloses les metodologies de construcció, i els defectes més comuns. A més, l'explicació de com l'ús de noves tecnologies que facilitin la construcció dels models 3D pot esdevenir una gran eina per identificar què es podria estar desenvolupant en l'estructura i trobar les causes dels danys existents en les estructures històriques. Es va dur a terme una revisió bibliogràfica a través de la identificació de com funcionen els arcs i la seva manera de desenvolupar mecanismes de fallada, i sobre l'enfocament dels mètodes no destructius que s'utilitzen per obtenir informació de les estructures històriques analitzades. Es va organitzar l'estudi de taula necessari per a l'estudi del pont de maçoneria, dins del qual es va incloure informació sobre el disseny i la construcció originals, els materials utilitzats, les intervencions realitzades en el passat i les modificacions geomètriques. El següent pas va ser la visita al lloc on es va recollir algun núvol de punts mitjançant escàner làser terrestre, es van prendre fotografies i es van fer mesures mètriques, totes aquestes eines són addicionals a la inspecció visual crucial. La informació recollida va permetre construir un model geomètric 3D de la part de maçoneria existent del Viaducte de la Joncadella, mostrant només les característiques externes del pont. Aquest model va ser analitzat posteriorment com un model bidimensional comparant formes ideals versus formes deformades reals.

El proyecto tiene como objetivo investigar y detectar las principales causas de los daños y deformaciones existentes en el Viaducto de la Joncadella con el uso de nubes de puntos, que se recogen mediante la aplicación de escáner láser terrestre (TLS o LIDAR). El objetivo inicial de la investigación es repasar brevemente cómo es el comportamiento estructural de los puentes arco de mampostería, incluyendo las metodologías constructivas, y los defectos más comunes. Además, la explicación de cómo el uso de las nuevas tecnologías que facilitan la construcción de modelos 3D puede convertirse en una gran herramienta para identificar lo que podría estar desarrollándose en la estructura y encontrar las causas de los daños existentes en las estructuras históricas. Se realizó una revisión bibliográfica a través de la identificación del funcionamiento de los arcos y su forma de desarrollar los mecanismos de fallo, y sobre el enfoque de los métodos no destructivos que se utilizan para obtener información de las estructuras históricas analizadas. Se organizó el estudio documental necesario para el puente de mampostería estudiado, en el que se incluyó información sobre el diseño y la construcción originales, los materiales utilizados, las intervenciones realizadas en el pasado y las modificaciones geométricas. El siguiente paso fue la visita a la obra, en la que se recopilaron nubes de puntos mediante un escáner láser terrestre, se tomaron fotografías y se realizaron mediciones métricas; todas estas herramientas son adicionales a la crucial inspección visual. La información recopilada permitió construir un modelo geométrico en 3D de la parte de mampostería existente del Viaducto de la Joncadella, mostrando únicamente las características externas del puente; este modelo se analizó posteriormente como modelo bidimensional

The actual research project aims to investigate and detect the main causes of existing damages and deformations of Joncadella Viaduct with the use of point clouds, which are gathered by the application of terrestrial laser scanner (TLS od LIDAR). The initial purpose of the investigation is to briefly review the how the structural behavior of masonry arch bridges is, including construction methodologies, and most common defects. In addition, the explanation of how the use of new technologies that facilitate the 3D models construction can become a great tool for identifying what could be developing in the structure and find the causes of the existing damages on historical structures. A literature review was conducted through the identification of how arches work and its way of developing failure mechanisms, and about the approach to non-destructive methods that are used to obtain information from analyzed historical structures. The necessary desk study was organized for the study masonry bridge, within which there was included information about original design and construction, materials used, interventions made in the past, and geometrical modifications. The following step was the site visit where some point cloud was gathered using terrestrial laser scanner, photographs were taken, and metrical measures were made, all these tools are additional to the crucial visual inspection. The information gathered allowed to build a 3D geometrical model of the existing masonry part of the Joncadella Viaduct, only showing the external characteristics of the bridge; this model was analyzed later as a bidimensional model comparing ideal shapes versus actual deformed shapes. The second phase is composed of the analysis of the point cloud made with the laser scanner information, identifying the possible failure mechanisms graphically.

A Structural Health Monitoring Software for Operational Modal Analysis

Master thesis

Lagos Cabrejos, Alejandro José

Tutor / Supervisor: Gönen, Semih; Pelà, Luca

Publication date: 2024

Barcelona School of Civil Engineering (ETSECCPB)

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La tesi presenta un estudi exhaustiu sobre el desenvolupament d'un programari de Monitoratge de la Salut Estructural (SHM) per a l'Anàlisi Modal Operacional (OMA) a partir de mesures d'acceleracions. Monitoritzar l'estat dels ponts és crucial per a la detecció precoç de danys, l'optimització del manteniment i la garantia de seguretat. El SHM, i en particular l'OMA, s'utilitzen àmpliament en enginyeria civil per identificar propietats dinàmiques com freqüències modals, formes modals i raons d'amortiment a partir de dades de vibració. Desenvolupat en Matlab amb App Design per a la interfície, el programari SHM mostra els resultats dins del programa i permet l'exportació a Excel. A diferència dels programaris existents, que són costosos i de codi tancat, aquesta solució de codi obert està dissenyada per facilitar la seva modificació i l'anàlisi pràctica de ponts sense interrompre la seva funcionalitat. El programari incorpora dos mètodes per determinar propietats dinàmiques: Descomposició de Domini de Freqüència (FDD) i Identificació Estocàstica de Subespai – covariància (SSI-cov). FDD permet la selecció manual de freqüències pic, mentre que SSI-cov opera automàticament. Els resultats d'ambdós mètodes es poden comparar utilitzant la funció MAC per avaluar la correlació de les formes modals. A través de simulacions numèriques i estudis de cas del món real, es valida l'efectivitat del programari. L'estudi de cas 2 avalua una biga de fusta de 5,5 metres amb diferents configuracions de sensors per detectar diverses formes modals. L'estudi de cas 3 analitza un pont d'arc de maçoneria construït per al projecte de recerca PONT3. Els resultats demostren la capacitat del programari per analitzar amb precisió les vibracions ambientals i les dades de soroll blanc, destacant el seu potencial per a aplicacions pràctiques de SHM.

La tesis presenta un estudio exhaustivo sobre el desarrollo de un software de Monitoreo de la Salud Estructural (SHM) para el Análisis Modal Operacional (OMA) a partir de mediciones de aceleraciones. Monitorear el estado de los puentes es crucial para la detección temprana de daños, la optimización del mantenimiento y la garantía de seguridad. El SHM, y en particular el OMA, se utilizan ampliamente en ingeniería civil para identificar propiedades dinámicas como frecuencias modales, formas modales y razones de amortiguamiento a partir de datos de vibración. Desarrollado en Matlab con App Design para la interfaz, el software SHM muestra los resultados dentro del programa y permite la exportación a Excel. A diferencia de los software existentes, que son costosos y de código cerrado, esta solución de código abierto está diseñada para facilitar su modificación y el análisis práctico de puentes sin interrumpir su funcionalidad. El software incorpora dos métodos para determinar propiedades dinámicas: Descomposición de Dominio de Frecuencia (FDD) e Identificación Estocástica de Subespacio – covarianza (SSI-cov). FDD permite la selección manual de frecuencias pico, mientras que SSI-cov opera automáticamente. Los resultados de ambos métodos pueden compararse utilizando la función MAC para evaluar la correlación de las formas modales. A través de simulaciones numéricas y estudios de caso del mundo real, se valida la efectividad del software. El estudio de caso 2 evalúa una viga de madera de 5.5 metros con diferentes configuraciones de sensores para detectar varias formas modales. El estudio de caso 3 analiza un puente de arco de mampostería construido para el proyecto de investigación PONT3. Los resultados demuestran la capacidad del software para analizar con precisión las vibraciones ambientales y los datos de ruido blanco, destacando su potencial para aplicaciones prácticas de SHM.

The thesis presents a comprehensive study on the development of a Structural Health Monitoring (SHM) software for Operational Modal Analysis (OMA) from accelerations measurements. Monitoring the health of bridges is crucial for early damage detection, optimizing maintenance, and ensuring safety. SHM, particularly OMA, is widely used in civil engineering to identify dynamic properties like modal frequencies, mode shapes, and damping ratios from vibration data. Developed in Matlab with App Design for the interface, the SHM software displays results within the program and allows exporting to Excel. Unlike existing costly and closed-source software, this open-source solution is designed for easy modification and practical bridge analysis without disrupting functionality. The software incorporates two methods for determining dynamic properties: Frequency Decomposition Domain (FDD) and Stochastic Subspace Identification – covariance (SSI-cov). FDD allows manual peak frequency selection, while SSI-cov operates automatically. Results from both methods can be compared using the MAC function to assess mode shape correlation. Through numerical simulations and real-world case studies, the software's effectiveness is validated. Case study 2 evaluates a 5.5-meter timber beam with different sensor setups to detect various mode shapes. Case study 3 analyzes a masonry arch bridge built for the PONT3 research project. The results demonstrate the software's capability to accurately analyze ambient vibrations and white noise data, showcasing its potential for practical SHM applications.

Investigation of the dynamic properties of masonry arch bridges via 3D finite element modelling

Master thesis

Pino, Francesco

Tutor / Supervisor: Pelà, Luca; Gönen, Semih; Pietro, Cornetti; Gianfranco, Piana

Publication date: 2024

Barcelona School of Civil Engineering (ETSECCPB)

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Els ponts d'arc de maçoneria són essencials per a les xarxes globals de carreteres i ferrocarrils, i comprenen més del 40% dels ponts ferroviaris i el 25% dels ponts viaris a Europa. El seu comportament dinàmic està influenciat per propietats geomètriques i materials, però l'impacte específic d'aquestes característiques geomètriques en les seves freqüències modals i formes modals no es comprèn completament. Aquest estudi explora com les característiques geomètriques dels ponts d'arc de maçoneria afecten el seu comportament dinàmic. Comença examinant els principis de construcció històrics, després identifica paràmetres geomètrics clau: llum de l'arc, gruix, alçada de l'arc, amplada del pont, dimensions dels pilars, alçada del respatller i esveltesa de l'arc. Utilitzant models d'elements finits (EF) en 3D creats amb el Programari STKO, es van realitzar 75 models i 75 simulacions de Monte Carlo per analitzar les freqüències modals i les formes modals de ponts d'arc de maçoneria d'un sol tram. Les troballes revelen que les freqüències naturals disminueixen a mesura que augmenta la llum de l'arc, i són més altes amb arcs més gruixuts i alts. L'amplada del pont i les dimensions dels pilars també influeixen en el comportament dinàmic, amb ponts més amples i pilars més grans mostrant dinàmiques més complexes. L'esveltesa de l'arc va ser identificada com un nou paràmetre crític que afecta les propietats modals. Els resultats van conduir al desenvolupament d'equacions empíriques per predir les freqüències naturals dels ponts d'arc de maçoneria basades en les seves característiques geomètriques. En general, aquest estudi millora la comprensió del vincle entre les característiques geomètriques i el comportament dinàmic dels ponts d'arc de maçoneria, donant suport a la preservació i millora d'aquesta infraestructura crítica.

Los puentes de arco de mampostería son esenciales para las redes globales de carreteras y ferrocarriles, y comprenden más del 40% de los puentes ferroviarios y el 25% de los puentes viales en Europa. Su comportamiento dinámico está influenciado por propiedades geométricas y materiales, pero el impacto específico de estas características geométricas en sus frecuencias modales y formas modales no se comprende completamente. Este estudio explora cómo las características geométricas de los puentes de arco de mampostería afectan su comportamiento dinámico. Comienza examinando los principios de construcción históricos, luego identifica parámetros geométricos clave: luz del arco, grosor, altura del arco, ancho del puente, dimensiones de los pilares, altura del respaldo y esbeltez del arco. Utilizando modelos de elementos finitos (FE) en 3D creados con el Software STKO, se realizaron 75 modelos y 75 simulaciones de Monte Carlo para analizar las frecuencias modales y las formas modales de puentes de arco de mampostería de un solo tramo. Los hallazgos revelan que las frecuencias naturales disminuyen a medida que aumenta la luz del arco, y son más altas con arcos más gruesos y altos. El ancho del puente y las dimensiones de los pilares también influyen en el comportamiento dinámico, con puentes más anchos y pilares más grandes mostrando dinámicas más complejas. La esbeltez del arco fue identificada como un nuevo parámetro crítico que afecta las propiedades modales. Los resultados llevaron al desarrollo de ecuaciones empíricas para predecir las frecuencias naturales de los puentes de arco de mampostería basadas en sus características geométricas. En general, este estudio mejora la comprensión del vínculo entre las características geométricas y el comportamiento dinámico de los puentes de arco de mampostería, apoyando la preservación y mejora de esta infraestructura crítica.

Masonry arch bridges are essential to global road and railway networks, comprising over 40% of railway bridges and 25% of road bridges in Europe. Their dynamic behavior is influenced by geometric and material properties, but the specific impact of these geometric characteristics on their modal frequencies and mode shapes is not fully understood. This study explores how the geometric characteristics of masonry arch bridges affect their dynamic behavior. It begins by examining historical construction principles, then identifies key geometric parameters: arch span, thickness, rise, bridge width, pier dimensions, backing height, and arch slenderness. Using 3D finite element (FE) models created with STKO Software, 75 models and 75 Monte Carlo simulations were conducted to analyze the modal frequencies and mode shapes of single-span masonry arch bridges. Findings reveal that natural frequencies decrease as arch span increases, and are higher with thicker and taller arches. Bridge width and pier dimensions also influence dynamic behavior, with wider bridges and larger piers showing more complex dynamics. Arch slenderness was identified as a new critical parameter affecting modal properties. The results led to the development of empirical equations for predicting the natural frequencies of masonry arch bridges based on their geometric characteristics. Overall, this study enhances understanding of the link between geometric characteristics and dynamic behavior of masonry arch bridges, supporting the preservation and improvement of this critical infrastructure.

Optimal sensor placement for vibration measurements of a masonry arch bridge

Master thesis

Camacho, Alexa

Tutor / Supervisor: Gönen, Semih

Publication date: 2023

Barcelona School of Civil Engineering (ETSECCPB)

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Los puentes de arco de fábrica (MAB) desempeñan un papel crucial en las redes de carreteras y ferrocarriles de todo el mundo, especialmente en Europa. A pesar del papel fundamental que desempeñan estas infraestructuras, son algunas de las partes más vulnerables de las redes de transporte existentes. Por ello, es vital poder contar con un sistema que ayude a la monitorización, detección y alerta temprana de problemas para su seguridad estructural. Esta tesis, titulada Ubicación óptima de los sensores para medir las vibraciones de un puente de arco de fábrica” se centra en el desarrollo y análisis de una investigación de Optimal Sensor Placement (OSP) para el Viaducto de la Joncadella. El trabajo realizado en esta tesis tiene como objetivo llenar el vacío existente en la literatura actual con respecto a la colocación óptima de sensores en puentes arco de fábrica, con la esperanza de mejorar la aplicación de sistemas de Monitorización de la Salud Estructural (SHM). El desarrollo de un modelo numérico 3D se lleva a cabo a través de una investigación histórica del puente. Se realiza un análisis modal de estos modelos para identificar los modos dominantes y evaluar las frecuencias y formas modales. Para lograr configuraciones óptimas de colocación de sensores, se codifica en MATLAB un algoritmo sencillo que utiliza el método de la independencia efectiva (EFI). A través de esta investigación, se implementan diferentes tipos de sensores, como sensores uniaxiales y triaxiales, y tres enfoques de análisis diferentes para analizar las entradas de desplazamiento modal. La reconstrucción de la forma modal se lleva a cabo para evaluar la calidad de los datos obtenidos a partir de las colocaciones de los sensores seleccionados. Se concluye que una configuración óptima de 14 sensores triaxiales captura adecuadamente el comportamiento global de la estructura, ya que reconstruye con precisión las formas modales, ofreciendo así información sobre el comportamiento del puente. Ade

Masonry arch bridges (MAB) play a crucial role in road and railway networks worldwide, especially in Europe. Despite the critical role these pieces of infrastructure play, they are some of the most vulnerable parts of the existing transportation networks. As such, it is vital to be able to have a system in place which aids in the monitoring, detection and early warning of problems to their structural safety. This thesis, titled “Optimal sensor placement for vibration measurements of a masonry arch bridge” focuses on the development and analysis of an Optimal Sensor Placement (OSP) investigation for the Joncadella Viaduct. The work done in this thesis aims to fill the gap in current literature regarding the Optimal Sensor Placement on masonry arch bridges, in hopes to improve the implementation of Structural Health Monitoring (SHM) systems. The development of a 3D numerical model is accomplished through a historical research of the bridge. Modal analysis is performed on these models to identify dominant modes and evaluate modal frequencies and shapes. To achieve optimal sensor placement configurations, a simple algorithm using the Effective Independence (EFI) method is coded in MATLAB. Through this investigation, different sensor types, such as uniaxial and triaxial sensors, and three different analysis approaches are implemented to analyze the inputs of modal displacement. Modal shape reconstruction is conducted to assess the quality of data obtained from the selected sensor placements. It is concluded that an optimal sensor configuration of 14 triaxial sensors adequately captures the global behavior of the structure, as it accurately reconstructs the modal shapes thus offering insights into the bridge's behavior. In addition, this thesis concludes with recommendations for a temporary configuration of rotating sensor placement, demonstrating the ability to capture multiple points along the bridge, allowing for global monitoring of the bridge.