Inclusion of damage detection methods for the sustainable life cycle design of bridges in aggressive environments

[ES] Recientemente, el monitoreo de la salud de cada estructura e infraestructura en diferentes periodos de su vida, incluyendo construcción, reparación y mantenimiento hasta el fin de su vida útil para prevenir colapsos repentinos antes del fin de vida calculado, los cuales causan pérdidas económicas y humanas significativas, es esencial para todas las personas que las utilizan. Por otro lado, todas estas actividades de construcción, reparación y mantenimiento pueden dañar el medio ambiente y la sociedad. Por lo tanto, el uso de técnicas modernas para la detección de daños que consideren la evaluación del ciclo de vida sostenible y los costos totales de mantenimiento para realizar reparaciones a tiempo es valioso. El concepto de sostenibilidad ha evolucionado desde que la Comisión Brundtland lo definió por primera vez en 1987. Desde entonces, las comunidades científicas han desarrollado principios, métodos y criterios de diseño sostenible. Sin embargo, muchos de estos enfoques carecen de viabilidad a largo plazo. Las Naciones Unidas han establecido los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) para 2030. En este contexto, es fundamental establecer una estrategia de ciclo de vida sostenible para las estructuras de hormigón, minimizando costos y reduciendo los impactos ambientales y sociales a lo largo de toda la vida útil, desde la construcción hasta las etapas de fin de vida. Los avances en tecnología informática y sensores sofisticados han hecho posible utilizar métodos de prueba no destructiva (NDT) para monitorear y mantener de manera efectiva estructuras críticas, como puentes, reduciendo el riesgo de pérdidas financieras y humanas. Esta tesis explora la aplicación de diversas técnicas no destructivas para identificar daños estructurales y evalúa sus implicaciones para la sostenibilidad. En este sentido, se investigó el rendimiento de métodos no destructivos como la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF) y la Densidad Espectral de Potencia (PSD) para detectar la presencia y ausencia de daños, así como la localización de los mismos. Se evaluó la capacidad de la PSD para predecir diferentes tipos de daños en una estructura, como un puente de hormigón costero en entornos agresivos expuestos a daños y corrosión por iones de cloruro. Luego, se analizó el rendimiento del uso de este método de predicción de daños en la evaluación del ciclo de vida sostenible y los impactos ambientales y sociales, así como los aspectos económicos y de costos del uso de estos métodos en diferentes etapas durante la vida útil de un puente de hormigón tipo cajón en Arosa, en el noroeste de España. En conclusión, esta tesis demuestra que la integración del método PSD para el mantenimiento preventivo en el diseño del ciclo de vida de puentes de hormigón mejora significativamente el rendimiento de sostenibilidad. Los hallazgos muestran que el método PSD detecta, localiza y predice de manera efectiva los daños, lo que permite una mejor gestión a largo plazo de los puentes de hormigón costeros propensos a la corrosión. El análisis integral, que incluye la evaluación del ciclo de vida y la toma de decisiones multicriterio, confirma que el uso del método PSD reduce el impacto ambiental, minimiza costos y mejora la sostenibilidad general de la infraestructura del puente, ofreciendo un marco sólido adaptable a varios tipos de infraestructura para alcanzar objetivos de sostenibilidad más amplios.

[CA] Recentment, la monitorització de la salut de cada estructura i infraestructura en diferents períodes de la seua vida, incloent-hi la construcció, reparació i manteniment fins al final de la vida útil per evitar col·lapses sobtats abans del final calculat, els quals poden causar pèrdues econòmiques i humanes significatives, és essencial per a totes les persones que les utilitzen. D'altra banda, totes aquestes activitats de construcció, reparacions i manteniment poden perjudicar el medi ambient i la societat. Per tant, és valuós utilitzar tècniques modernes per a la detecció de danys que consideren l'avaluació del cicle de vida sostenible i els costos totals de manteniment per a dur a terme activitats de reparació a temps. El concepte de sostenibilitat ha evolucionat des que la Comissió Brundtland el va definir per primera vegada l'any 1987. Des de llavors, les comunitats científiques han desenvolupat principis, mètodes i criteris de disseny sostenible. No obstant això, molts d'aquests enfocaments manquen de viabilitat a llarg termini. Les Nacions Unides han establit els Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS) per a 2030. En aquest context, és fonamental establir una estratègia de cicle de vida sostenible per a les estructures de formigó, minimitzant els costos i reduint els impactes ambientals i socials al llarg de tota la vida útil, des de la construcció fins a les etapes de final de vida. Els avenços en tecnologia informàtica i sensors sofisticats han fet possible utilitzar mètodes de proves no destructives (NDT) per a monitoritzar i mantenir de manera efectiva estructures crítiques, com ara ponts, reduint el risc de pèrdues financeres i humanes. Aquesta tesi explora l'aplicació de diverses tècniques no destructives per a identificar danys estructurals i avalua les seues implicacions per a la sostenibilitat. En aquest sentit, es va investigar el rendiment de mètodes no destructius com la Funció de Resposta en Freqüència (FRF) i la Densitat Espectral de Potència (PSD) per a detectar la presència i absència de danys, així com la localització dels mateixos. Es va avaluar la capacitat de la PSD per a predir diferents tipus de danys en una estructura, com ara un pont de formigó costaner en entorns agressius exposat a danys i corrosió per ions de clorur. A continuació, es va analitzar el rendiment de l'ús d'aquest mètode de predicció de danys en l'avaluació del cicle de vida sostenible i els impactes ambientals i socials, així com els aspectes econòmics i de costos de l'ús d'aquests mètodes en diferents etapes durant la vida útil d'un pont de formigó de bigues caixó en Arosa, al nord-oest d'Espanya. En conclusió, aquesta tesi demostra que la integració del mètode PSD per al manteniment preventiu en el disseny del cicle de vida de ponts de formigó millora significativament el rendiment de la sostenibilitat. Els resultats mostren que el mètode PSD detecta, localitza i prediu de manera efectiva els danys, cosa que permet una millor gestió a llarg termini dels ponts de formigó costaners propensos a la corrosió. L'anàlisi integral, que inclou l'avaluació del cicle de vida i la presa de decisions multicriteri, confirma que l'ús del mètode PSD redueix l'impacte ambiental, minimitza els costos i millora la sostenibilitat general de la infraestructura del pont, oferint un marc sòlid adaptable a diversos tipus d'infraestructures per a assolir objectius de sostenibilitat més amplis.

[EN] Recently, the health monitoring of every structure and infrastructure in different periods of its life, including construction, repair, and maintenance until the end of life to prevent sudden collapses before the end of the life of structure that calculated which causing significant financial and human losses, is essential for every person that uses them. On the other hand, all these construction activities, repairs, and maintenance can harm the environment and society. So, using modern techniques for damage detection that consider the sustainability life cycle assessment and total maintenance costs to do on-time repair activities is valuable. The concept of sustainability has evolved since the Brundtland Commission first defined it in 1987. Since then, scientific communities have developed sustainable design principles, methods, and criteria. However, many of these approaches lack long-term feasibility. The United Nations has set the 2030 Sustainable Development Goals (SDGs). In this context, it is vital to establish a sustainable life cycle strategy for concrete structures, minimizing costs and reducing environmental and social impacts throughout the entire lifespan, from construction to end-of-life stages. Advances in computer technology and sophisticated sensors have made it feasible to utilize non-destructive testing (NDT) methods to effectively monitor and maintain critical structures, such as bridges, reducing the risk of financial and human losses. This thesis explores the application of various non-destructive techniques for identifying structural damage and evaluates their implications for sustainability. In this regard, it investigated the performance of non-destructive methods such as Frequency Response Function (FRF) and Power Spectral Density (PSD) in detecting the presence and absence of damage and the location of damage. The ability of the PSD to predict different types of damage in a structure, such as a coastal concrete bridge in aggressive environments exposed to damage and corrosion by chloride ions, was evaluated. Then, in the following, analyze the performance of using this damage prediction method on the sustainability life cycle assessment and environmental and social impacts, as well as the economic and cost aspects of using these methods at different stages during the life of an evaluated for a box-girder concrete bridge in Arosa in northwestern Spain. In conclusion, this thesis demonstrates that integrating the PSD method for preventive maintenance into the life cycle design of concrete bridges significantly enhances sustainability performance. The findings show that the PSD method effectively detects, locates, and predicts damage, leading to better long-term management of coastal concrete bridges prone to corrosion. The comprehensive analysis, including life cycle assessment and multi-criteria decision-making, confirms that using the PSD method reduces environmental impact, minimizes costs, and improves the overall sustainability of bridge infrastructure, offering a robust framework adaptable to various infrastructure types for achieving broader sustainability goals.

Tesis por compendio