STRUCTURAL MONITORING OF A 10M FIBRE REINFORCED POLYMER BRIDGE SUBJECTED TO SEVERE DAMAGE

Abstract

Structural Health Monitoring (SHM) is a field of growing importance in Civil Engineering and its use has grown significantly during the past decade. The ability to monitor structures and assess their structural integrity has become increasingly important as many North American structures approach the end of their design lives. Actively monitoring structures such as bridges can have great benefits not only in civilian but also in military applications. When deployed on military operations, troops are often faced with the need to use bridges that are damaged, poorly constructed or designed for smaller loads than required by the operation. The ability to monitor these bridges and review real-time response of the structure under load can save time, energy, money and reduce the risk of injury to deployed troops and damage to the infrastructure. The 10 m Fibre Reinforced Polymer (FRP) box beam bridge used for this investigation was developed and constructed at the Royal Military College of Canada for research on temporary deployable bridges. During this study, the quasi-static and dynamic behaviour of the bridge was investigated under laboratory conditions to determine if damage could be detected with a simple wireless monitoring system through shifts in the bridge’s frequency. Incremental damage was done to the bridge as both quasi-static and dynamic testing was completed at each damage stage. Using instrumentation such as strain gauges and accelerometers, the data was collected and processed so it could be analyzed in both time and frequency-domains. From dynamic testing and the use of wired and wireless accelerometers and strain gauges, it was determined, using time and frequency-domain analyses that damage to supportive structural members caused significant shifts in the frequency of the structure. The use of the Fast Fourier Transform (FFT) on the experimental data allowed for a frequency reduction of 21% to be easily observed over 18 damage stages which included both major and minor structural components that caused a reduction up to 45% in the bridge stiffness under static loads. Using commercial Finite Element Analysis (FEA) software, SAP2000 and ANSYS, the bridge was modelled to represent different levels of damage and the response of the model to both static and dynamic loading was observed. It was determined that both modeling programs produced results that appropriately represented the experimental behaviour. It was shown that the bridge response to different severe damage stages could be adequately predicted using commercially available FEA software.

La surveillance de l’état des structures (SES) est un domaine en plein essor qui prend de plus en plus d’importance depuis une décennie en génie civil. La capacité de surveiller des structures et d’évaluer leur intégrité structurale revêt effectivement une importance croissante en Amérique du Nord, où beaucoup de structures approchent la fin de leur durée de vie utile. La surveillance active de structures telles que les ponts offre des avantages considérables pour des applications civiles et militaires. Lorsqu’ils participent à des opérations militaires en déploiement, les militaires sont souvent appelés à emprunter des ponts endommagés, mal construits ou conçus pour supporter des charges plus faibles que ce qu’exige l’opération en cours. La capacité de surveiller ces ponts et d’étudier en temps réel le comportement sous chargement permet de gagner du temps et d’économiser de l’énergie et de l’argent, en plus de réduire les risques de blessure pour les troupes déployées et d’éviter d’endommager l’infrastructure. Un pont à poutres-caisson en polymère renforcé de fibres (PRF) de 10 m utilisé pour la présente étude a été conçu et érigé au Collège militaire royal du Canada dans le cadre de la recherche sur les ponts temporaires. Au cours de cette étude, le comportement quasi statique et dynamique du pont en conditions de laboratoire a été étudié afin de déterminer s’il était possible de détecter des dommages au moyen d’un simple système de surveillance sans fil sensible aux altérations de la fréquence du pont. Des dommages ont été infligés au pont successivement, chaque étape étant suivie d’essais quasi statiques et dynamiques. À l’aide d’instruments tels que des extensomètres et des accéléromètres, les données recueillies ont été traitées afin d’effectuer une analyse dans le temps et fréquentielle. Les essais dynamiques ont permis de déterminer, au moyen d’analyses dans le temps et fréquentielles, que les dommages infligés aux éléments structuraux de soutien provoquaient d’importantes altérations de la fréquence de la structure. Le traitement des données expérimentales par transformation de Fourier rapide (TFR) a permis d’observer aisément une réduction de la fréquence de 21 % au fil des 18 étapes d’endommagement qui touchaient des éléments structuraux majeurs et mineurs et qui ont entraîné une réduction atteignant jusqu’à 45 % de la rigidité du pont sous chargement statique. À l’aide de logiciels commerciaux d’analyse par éléments finis (AEF), SAP2000 et ANSYS, le pont a été modélisé à différents niveaux d’endommagement afin d’observer la réaction du modèle sous chargement statiques et dynamiques. Les deux logiciels de modélisation ont produit des résultats qui représentaient fidèlement le comportement observé expérimentalement. Il a ainsi été démontré que le comportement du pont aux diverses étapes d’endommagement grave pouvait être prédite de façon adéquate au moyen de logiciels d’AEF disponible dans l’industrie.