Modeling and Automatic Operational Modal Analysis of the Norsenga Bridge

Abstract

Etter kollapsen av Tretten bru i 2022, ble flere liknende trebruer i Norge stengt av sikkerhetshensyn. Dette inkluderer Norsenga bru i Kongsvinger, som ble regulert for trafikk i en lengre periode. Denne masteravhandlingen har som mål å utvikle en element-modell som nøyaktig beskriver konstruksjons oppførselen til Norsenga bru. Formålet er å etablere en digitaltvilling, som kan brukes til modell basert tilstandsovervåkning (SHM). En kalibrert modell kan generere syntetisk data, som videre kan brukes for å simulere ulike skader eller lokalisere skade basert på liknende målte responser.

Tekniske tegninger, fra Statens vegvesen, ble brukt som utgangpunkt for referanse modellen i ABAQUS. Modellen ble senere oppdatert for å bedre kunne representere den virkelige bruas dynamiske oppførsel. Dette ble gjort ved å redusere modellens og målingenes forskjell i respons. Modale parametere som frekvens, mode former og demping ble indentifisert ved bruk av operasjonell modalanalyse (OMA). Covariance-based Stochastic System Identification (Cov-SSI) ble brukt for å analysere vibrasjonsdataene. Målingene ble fortatt av 19 triaksiale akselerometere, i tillegg til 20 strekklapper. Deretter ble Hierarchical Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (HDBSCAN) brukt for å automatisk detektere modene fra Cov-SSI.

En manuell element modell oppdatering (FEMU) prosedyre ble brukt for å minimere forskjellen mellom modale parametere fra modell og målinger. Dette innebærer justeringer av tverrsnittet til bjelkene i fagverket, som ble gjort for å redusere stivheten av knutepunktene i fagverket. Den oppdaterte modellen stemte godt med den første horisontale moden fra målingene, både med hensyn på frekvens og mode form. Moder av høyere orden var vanskelige å detektere grunnet bruas kompleksitet. Dette kan komme fra opplagerne, stivheten av knutepunkter, den innviklede sammensetningen av konstruksjonen og de mekaniske egenskapene til trebjelkene.

Den oppdaterte modellen ble også brukt til å generere influenslinjer, for å undersøke aksialtøyningen i hengestengene ved hjelp av en punktlast som beveger seg langs brudekket. De numeriske resultatene stemte godt overens med målingene. Influenslinjen ble brukt på både referanse og oppdatert modell for å evaluere likheten i den statiske responsen mellom disse. Ingen nevneverdige forskjeller ble observert.

After the collapse of the Tretten Bridge in 2022, several timber bridges in Norway with similar structural properties and layout were closed due to safety concerns, including the Norsenga Bridge in Kongsvinger, which faced prolonged traffic restrictions. This thesis aims to develop and validate a Finite Element (FE) model of the Norsenga Bridge that accurately reflects its structural behavior. The ultimate goal is to create a digital twin of the bridge, which can be used in model-based Structural Health Monitoring (SHM). A calibrated FE-model can generate synthetic data for different damage states of the structure or assist in damage localization by correlating certain responses to measurements.

Technical drawings from the Norwegian Public Road Administration (Statens vegvesen) were used to create the reference model in ABAQUS. The model was later updated to enhance its representation of the bridge's dynamic behavior by minimizing the deviation between measured and computed responses. Modal parameters, including frequencies, mode shapes, and damping ratios, were identified using Operational Modal Analysis (OMA) techniques. Respectively, Covariance-based Stochastic System Identification (Cov-SSI) was employed to analyze vibration data collected by a monitoring system comprising 19 triaxial accelerometers and 20 strain gauges. This data facilitated the automatic extraction of modes using Hierarchical Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (HDBSCAN) by clustering similar poles derived from the Cov-SSI analysis.

A manual Finite Element Model Updating (FEMU) procedure was performed to minimize the discrepancies between measured and computed modal parameters. This involved tuning the cross-sections of truss members to simulate reduced stiffness at the truss joints. While the updated model successfully matched the first horizontal mode in terms of frequency and mode shape, aligning higher-order modes proved challenging due to the structure's complexities, which may arise from boundary conditions, joint stiffness, the intricate structural scheme, and the mechanical properties of the timber.

The updated model was also used to generate influence lines for axial strain in the hangers under a moving unit point load along the deck. The numerical results showed good agreement with strain measurements. Furthermore, the influence line was computed using the reference, non-updated model to evaluate whether the manually updated model produced different static response results. No significant differences were observed in this case.