ISO 18649:2004
(Main)Mechanical vibration — Evaluation of measurement results from dynamic tests and investigations on bridges
Mechanical vibration — Evaluation of measurement results from dynamic tests and investigations on bridges
ISO 18649:2004 provides methodology for the evaluation of results from dynamic tests and investigations on bridges and viaducts. It complements the procedure for conducting the tests as given in ISO 14963 and considers -- the objectives of the dynamic tests, -- the techniques for data analysis and system identification, -- the modelling of the bridge, and -- evaluation of the measured data. The dynamic tests considered in ISO 18649:2004 do not replace static tests. ISO 18649:2004 gives guidance on the assessment of measurements carried out over the life cycle of the bridge. The stages of the life cycle that are considered are -- during construction and prior to commissioning, -- during commissioning trials, -- during specified periods throughout the life of the bridge, and -- immediately prior to decommissioning the bridge. ISO 18649:2004 is applicable to road, rail and pedestrian bridges and viaducts (both during construction and operation) and also to other works, provided that they justify its application. The application of this International Standard to special structures (cable-stayed or suspension bridges) requires specific tests that take into account the particular characteristics of the work.
Vibrations mécaniques — Évaluation des résultats de mesurages relatives aux essais dynamiques et aux investigations sur les ponts
ISO 18649:2004 fournit une méthode d'évaluation des résultats d'essais dynamiques et d'investigations sur les ponts et les viaducs. Elle complète le mode opératoire de réalisation des essais donné dans l'ISO 14963 et tient compte: - des objectifs des essais dynamiques, - des techniques d'analyse des données et d'identification du système, - de la modélisation du pont, et - de l'évaluation des données mesurées.
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18649
First edition
2004-07-01
Mechanical vibration — Evaluation of
measurement results from dynamic tests
and investigations on bridges
Vibrations mécaniques — Évaluation des résultats de mesures relatives
aux essais dynamiques et aux investigations sur les ponts
Reference number
ISO 18649:2004(E)
©
ISO 2004
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ISO 18649:2004(E)
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ISO 18649:2004(E)
Contents Page
Foreword. iv
1 Scope. 1
2 Normative references. 1
3 Terms and definitions. 2
4 Vibration measurement. 2
4.1 General considerations. 2
4.2 Monitoring of a bridge during construction and for commissioning . 3
4.3 Monitoring of a bridge in service . 8
5 Data analysis and method of structural identification . 9
5.1 General. 9
5.2 Data analysis and domain. 9
5.3 Digitizing. 9
5.4 Identification of vibration characteristics in the time domain. 9
5.5 Identification of vibration characteristics in the frequency domain. 12
5.6 Structural identification and inverse analysis . 12
6 Modelling bridges and their surrounding environment . 13
6.1 Modelling bridge structures. 13
6.2 Modelling of traffic loads. 14
6.3 Modelling of human walking and its dynamic effect. 15
6.4 Wind load. 15
6.5 Modelling of the ground for viaduct vibration . 15
7 Evaluation of monitored data and its application. 16
7.1 Evaluation method and evaluation criteria. 16
7.2 Evaluation during construction. 16
7.3 Evaluation of structural safety in service. 17
7.4 Evaluation of serviceability. 18
7.5 Evaluation of environmental vibration. 18
Annex A (informative) Data analysis in time and frequency domains . 19
Annex B (informative) Identification of vibration characteristics. 23
Annex C (informative) Modelling of walking load. 24
Bibliography . 25
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ISO 18649:2004(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 18649 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration and shock,
Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied to machines,
vehicles and structures.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18649:2004(E)
Mechanical vibration — Evaluation of measurement results
from dynamic tests and investigations on bridges
1 Scope
This International Standard provides methodology for the evaluation of results from dynamic tests and
investigations on bridges and viaducts. It complements the procedure for conducting the tests as given in
ISO 14963 and considers
the objectives of the dynamic tests,
the techniques for data analysis and system identification,
the modelling of the bridge, and
evaluation of the measured data.
NOTE 1 The evaluation may seek to define all of the dynamic characteristics of each mode of vibration examined, i.e.
frequency, stiffness, mode shape and damping, and their non-linear variation with amplitude of motion. These can supply
information on the dynamic characteristics of a structure for comparison with those assumed in design, or as a basis for
condition monitoring or system identification.
The dynamic tests considered in this International Standard do not replace static tests.
This International Standard gives guidance on the assessment of measurements carried out over the life cycle
of the bridge. The stages of the life cycle that are considered are
a) during construction and prior to commissioning,
b) during commissioning trials,
c) during specified periods throughout the life of the bridge, and
d) immediately prior to decommissioning the bridge.
This International Standard is applicable to road, rail and pedestrian bridges and viaducts (both during
construction and operation) and also to other works, provided that they justify its application. The application
of this International Standard to special structures (cable-stayed or suspension bridges) requires specific tests
that take into account the particular characteristics of the work.
NOTE 2 Throughout this International Standard, “bridges and viaducts” are called “bridges”. The term “viaduct” is used
only when it is necessary to distinguish between these.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
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ISO 18649:2004(E)
ISO 2041, Vibration and shock — Vocabulary
ISO 14963, Mechanical vibration and shock — Guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and
viaducts
ISO 14964, Mechanical vibration and shock — Vibration of stationary structures — Specific requirements for
quality management in measurement and evaluation of vibration
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2041 and the following apply.
3.1
buildability
property of a structure that enables construction to proceed in a safe, timely and economic fashion
NOTE The buildability of bridges may require construction to proceed in a strong wind, so wind effects on vibration
may need to be monitored.
3.2
environmental compatibility
environmental impact on a new bridge, which may need to be evaluated, involving wind effects, air noise and
ground vibration
3.3
serviceability
limit state beyond which a structure no longer satisfies the operating requirements such that it is no longer fit
for purpose
3.4
monitoring
programme of measurements, usually over a period of time, whereby changes in an appropriate parameter
may be interpreted as indicating a change in the state of the structure
NOTE It is important to establish a benchmark and allow for changes attributable to cyclic environmental factors such
as diurnal or seasonal changes of temperature and humidity.
3.5
running safety
property whereby traffic crossing a bridge at an appropriate speed is not deleteriously affected in maintaining
direction or stability
3.6
riding quality
property whereby occupants of vehicles crossing a bridge at appropriate speed are not exposed to such levels
of vibration as to adversely affect their comfort
4 Vibration measurement
4.1 General considerations
The guidelines for vibration measurements as given in ISO 14963 shall be observed and the quality
requirements for these measurements as given in ISO 14964 shall be fulfilled. Measurements may be carried
out on bridges under construction and in commissioning and on bridges in service.
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4.2 Monitoring of a bridge during construction and for commissioning
4.2.1 Objectives of vibration monitoring
Figures 1 and 2 illustrate the relationships between the various stages involved in vibration monitoring.
The objectives of vibration monitoring shall be specified as follows:
a) evaluation of the accuracy and buildability of construction;
b) evaluation of structural performance during construction and upon completion;
c) assessment of the safety of the bridge during construction and upon completion;
d) evaluation of serviceability upon completion;
e) evaluation of environmental compatibility;
f) determination of the initial characteristics of vibration for maintenance and for calibration of the numerical
model of the bridge in service;
g) feedback to structural design.
Uncertainty of results in each process of measurement and evaluation cannot be avoided and there is a
possibility to include uncertainty as shown in Figure 1. Therefore, reduction and qualification of measurement
uncertainty and error are needed in the process.
Figure 1 — Flowchart of vibration monitoring of a bridge
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ISO 18649:2004(E)
Figure 2 — Overview of vibration monitoring of a bridge
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ISO 18649:2004(E)
4.2.2 Evaluation of construction management
4.2.2.1 General
Vibration measurements on bridges may be conducted during construction. For example, vibration tests on
cables of cable-stayed bridges or suspension bridges are used to control the tension of the cables. In order to
control the profile of the bridge under construction, measurement of the vibration of cables is required.
Dynamic measurements may also provide an indication of when high vibration levels will have an adverse
effect on construction.
4.2.2.2 Evaluation of cable tension
Dynamic characteristics are greatly influenced by the support conditions. Cable tension of a cable-stayed or
suspension bridge is one of the main parameters for construction management. Vibration of cables is easily
measured for the determination of the natural frequency of transverse vibration. This depends upon cable
tension and is given by a well-known equation. In this case, the numerical model will need to consider bending
rigidity and the end support of the cables.
4.2.2.3 Evaluation of buildability of construction
Vibration measurements can provide the required information to determine when construction work is either
unsafe or the quality control is likely to be adversely affected. If the bridge vibration and wind and earthquake
excitation are continuously monitored, the decision can be made when an allowable limit is exceeded.
4.2.3 Characteristics for the evaluation of structural performance
4.2.3.1 General
The natural frequency, damping and dynamic response of the structure and the surrounding area and sound
propagation from/through structure are measurable characteristics which can be used for the evaluation of
structural performance.
4.2.3.2 Natural frequencies and mode shapes
The natural frequency and its mode shape are easy parameters to measure. The support conditions and the
temperature of the structure are major factors influencing natural vibration; hence they should be monitored
before and after construction. Geometrical non-linearity of flexible bridges and material non-linearity of
superstructures on the substructure are aspects that should be considered. These aspects are as follows:
natural frequencies;
modal shapes;
movements of shoe and boundary conditions of structures;
geometrical non-linearity effects of the structure;
material non-linearity of the ground;
effects of isolator and vibration control devices;
effects of temperature.
NOTE Isolator and control devices to reduce vibration can also introduce non-linearities.
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4.2.3.3 Damping
The damping coefficient, or logarithmic damping ratio, can also be measured. The measurement of damped
free vibration produced by stopping the forced vibration provides a direct measurement of damping
characteristics, at least for the fundamental mode. Amplitude and temperature dependencies are important
factors for damping measurement. It may be necessary to consider the effects of support condition and
isolation devices. When damping characteristics are required for large-amplitude motion, forced vibration tests
that generate high-amplitude vibration are appropriate. Evaluation for strong earthquakes or wind may require
damping values for large-amplitude motion.
Elements affecting the damping characteristics of bridges are as follows:
aerodynamic and hydrodynamic effects;
connections and joints;
bearings and shoes;
pavement (rheology of materials);
effects of substructures;
effects of the foundation.
The amplitude dependencies of frequencies and damping characteristics of bridges require careful analysis of
the data. Different damping characteristics will be provided by different structural types and in different
locations, so the overall damping effect is the integral of these elements.
4.2.3.4 Characteristics of the dynamic responses of a structure with the surrounding media
The measurement of dynamic response may involve strain, acceleration, velocity or displacement. It is also
important to consider boundary conditions. The results from ambient vibration tests or impact tests may not be
appropriate for some dynamic response evaluations because of the small amplitude of the loading. Using
forced-excitation tests, resonance response curves can provide data for larger amplitude motion. Accurate
analysis of ambient vibration for small amplitudes may be suitable for the structural health monitoring of
bridges. Tests using moving vehicles can give the dynamic response related to the speed and pattern of the
vehicles. Fatigue analysis requires dynamic response as a stress range histogram. The points to be
considered are as follows:
accuracy of the ambient vibration analysis;
impact test for the dynamic property of the surrounding media;
effects of water or tidal flow;
excitation method.
4.2.3.5 Sound radiation around/through the structure
Microphones placed on the surrounding ground can detect the sound radiation from bridges due to moving
vehicles. Characteristics of sound propagation are used to evaluate the environmental effects on the
surrounding area. Parameters to be measured are as follows:
sound level;
sound frequency;
traffic density;
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traffic speed;
types of vehicles;
impulsive effects;
roughness of road/track surface;
ground stiffness and its interaction with the substructure.
4.2.4 Assessment of safety during construction and upon completion
4.2.4.1 Confirmation of design for earthquake performance
Vibration monitoring is needed for safe construction in a highly seismic area. Depending on the data,
engineers can assess the risk during construction, and this may influence the construction. Data on vibration
under severe loading conditions are important. The assessment is based on
characteristics of natural vibration and its damping,
dynamic response characteristics,
reinforcement of the structure,
isolation system on the bridge, and
diagnosis of structural health after a disaster.
In the design process for earthquake performance, the numerical model for dynamic response should be
constructed by a combination of the total/part of the superstructure used in static design and the substructure
including the basement and surrounding ground. These data should be utilized in the evaluation analysis.
Measurement of the natural vibration of the substructure after its construction and the non-linear vibration
properties of the ground should be taken into account. Evaluation of the damping characteristics is
accomplished by comparison of the measured data with the assumed values used in the design process.
Support condition and amplitude dependency should also be taken into account. The effect of temporary
structures and the pavement on vibration properties should also be considered.
4.2.4.2 Confirmation of design for wind
The dynamic response for wind can be measured and compared with assumed values. Assumed values may
be obtained through experiments in a wind tunnel as a part of structural design process. Measured data can
include the effects of the velocity and direction of the wind and its amplitude dependency. After analysing all
these effects, damping devices may be considered.
4.2.4.3 Confirmation of fatigue design
Fatigue design considers the dynamic stress range of members and the number of cycles encountered. In this
case, the stress range is given by the sum of the static stress and the coupling effect with a moving vehicle.
Monitored data for actual stress should be compared with the assumed values used in fatigue design. The
dynamic amplification factor to amplify the static stress range is used and it depends on the road/track profile
and travelling pattern of the traffic load. The coupling effects with vehicles are needed to monitor the structural
health of the bridge. Non-stationary vibration due to irregular undulation of the surface of the track and road
can be important.
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ISO 18649:2004(E)
4.2.5 Serviceability of a completed bridge
The vibration perception of pedestrians, vibration effects on moving vehicles, and the comfort of passengers
are part of potential serviceability problems. Vibration monitoring is undertaken to evaluate these effects and
the design should be checked and necessary measures should be considered.
In the evaluation of the vibration perception of pedestrians, the amplitude of the dynamic response as well as
the frequency of vibration should be considered. In the evaluation of the effects on moving vehicles and the
comfort of the passengers, the amplitude of the dynamic response on the floors and wheel axles of the vehicle
should be taken into account.
In the comparison between measured data and numerical results from modelling of the moving loads,
coupling vibration effects should be taken into account. Bridge vibration due to moving vehicles and the
comfort of passengers are also problems that should be considered for serviceability.
4.2.6 Evaluation of environmental compatibility of a completed bridge
Environmental vibration, noise and change of wind direction should be taken into account in the evaluation of
environmental compatibility. Monitored data are used to analyse these effects and are compared with the
dynamic characteristics of the structure. Necessary modifications may be required depending on the results.
Numerical simulation of the propagation of ground vibration and sound radiation may be used to identify the
level of those effects.
4.2.7 Determination of the initial vibration characteristics of a completed bridge
Long-term monitoring will start after construction and the initial values of vibration characteristics are required
to monitor changes in parameters due to deterioration or damage. The effects of deterioration or damage on
the vibration characteristics are generally small, so an effective method to extract the required information
about damage should be used. Local excitation and the application of beating phenomenon due to those small
differences of modal parameters are useful methods.
4.2.8 Feedback to overall performance
Data given through the above-mentioned evaluation should be fed back to design engineers to apply to future
designs. Classification of the data is also helpful when the data are used in the future for the design of all
types of bridges.
4.3 Monitoring of a bridge in service
The objectives of vibration monitoring of a bridge in service are
evaluation of the travelling load,
evaluation of the structural performance,
evaluation of wind effects and hydrodynamics,
assessment of safety,
assessment of serviceability, and
assessment of environmental compatibility.
Normal and emergency monitoring of bridge vibration are used depending on the maintenance management
of the bridge. Detailed analysis to identify the damage and defects is needed. Traffic conditions and the
roughness of road and rail surfaces, and wind and hydrodynamic effects will have a significant impact on the
fatigue stress. Dynamic effects should be monitored through measurement.
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ISO 18649:2004(E)
5 Data analysis and method of structural identification
5.1 General
Structural identification aims to provide a good correlation between the numerical model of the bridge and
experimental measurements. From the model, which may be based on finite elements, the modal parameters
are identified, primarily the modal frequencies and associated mode shapes. The same parameters can be
identified by experiments, which should also determine the damping value for each mode. The identification
methods may adopt either time-domain or frequency-domain procedures depending on the problem.
5.2 Data analysis and domain
Data analysis may be conducted in the time domain or the frequency domain, or both domains. Depending on
the problem, the engineer should decide which to use. In Clause A.1 the relationship between the time and
frequency domains is shown.
In the analysis of vibration data, statistical distributions of stress, velocity, acceleration and displacement are
obtained. The distributions of stress and displacement are used for evaluation of the condition of bridges.
5.3 Digitizing
Data obtained from experiments are usually digitized from the analog signal using an analog-to-digital (A/D)
converter. The selection of the sampling frequency or time step for the digitization procedure is very important,
and care should be taken in order to retain the required accuracy from the analog data. The following main
problems should be considered.
a) Error in A/D transformation
The sampling frequency of the A/D converter should be carefully specified and a resolution consistent
with the objective of the targeted natural frequency is recommended.
b) Misreading of peak values
Both in the time domain and the frequency domain, there is a possibility that the true peak values may not
be identified during digitization. Hence the shape of the transfer function as well as peak values should be
considered in the identification of frequency and damping when using the half-power bandwidth method.
c) Resolution of FFT
In Fourier transformation of the digitized data, it is impossible to get higher frequencies than those
specified by the time interval of digitized data, ∆t . This limiting frequency is called the Nyquist frequency
(see [15]) and is expressed as f =12∆t . The frequency resolution ∆f is given by the inverse of the
( )
N
total time T as ∆f = 1 T .
5.4 Identification of vibration characteristics in the time domain
5.4.1 General
The natural frequency, modal shape and damping coefficient should be identified when determining the
vibration characteristics of a system. It is recommended that the damping coefficient be identified in the time
domain. If the non-linearity and amplitude dependency are significant, analysis should be performed in the
time domain.
In the time domain, ideally one mode should be considered at a time, which may require the data to be
extracted from the measured data by filtering. There are situations where closely spaced frequencies exist,
depending upon the type of structure and the constitution of members. Here, it will be difficult to extract data
for one mode and the identification method for closely spaced modes system shall be used.
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ISO 18649:2004(E)
5.4.2 Extraction of single natural frequency component
Measured data generally include many vibration modes and it is difficult to identify vibration characteristics
accurately in the time domain. Ideally single-mode data should be extracted from the measured data (see
Clause B.1). The frequency may be identified by the following:
transformation of the measured data to the frequency domain;
filtering to extract single-mode data;
inverse transformation from the frequency domain to the time domain.
Low-pass, high-pass and band-pass methods may be used for filtering data, depending on the circumstances.
5.4.3 Natural frequency
Identification of the natural frequency of a single mode from the time history of the signal may consider the
time period between
the peak responses, and
zero-crossings.
If the bridge has isolation devices or the support has amplitude dependency, the natural f
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18649
Première édition
2004-07-01
Vibrations mécaniques — Évaluation
des résultats de mesurages relatives
aux essais dynamiques et aux
investigations sur les ponts
Mechanical vibration — Evaluation of measurement results from
dynamic tests and investigations on bridges
Numéro de référence
ISO 18649:2004(F)
©
ISO 2004
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ISO 18649:2004(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2004
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
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l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
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Tel. + 41 22 749 01 11
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E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2004 – Tous droits réservés
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ISO 18649:2004(F)
Sommaire Page
Avant-propos . iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes et définitions . 2
4 Mesurage des vibrations . 3
4.1 Considérations générales . 3
4.2 Surveillance d’un pont pendant la construction et pour la mise en service . 3
4.3 Surveillance d’un pont en service . 10
5 Analyse de données et méthode d’identification structurelle . 10
5.1 Généralités . 10
5.2 Analyse de données et domaine . 10
5.3 Numérisation . 10
5.4 Identification des caractéristiques vibratoires dans le domaine temporel . 11
5.5 Identification des caractéristiques vibratoires dans le domaine fréquentiel . 13
5.6 Identification structurelle et analyse inverse . 14
6 Modélisation des ponts et de leur milieu environnant . 14
6.1 Modélisation des structures de ponts . 14
6.2 Modélisation des charges de trafic . 16
6.3 Modélisation de la marche et de son effet dynamique . 17
6.4 Charge du vent . 17
6.5 Modélisation du sol pour les vibrations des viaducs . 17
7 Évaluation des données mesurées et leur application . 18
7.1 Méthode et critères d’évaluation . 18
7.2 Évaluation pendant la construction . 18
7.3 Évaluation de l’intégrité structurelle en service . 19
7.4 Évaluation de la viabilité . 20
7.5 Évaluation des vibrations environnementales . 20
Annexe A (informative) Analyse de données dans les domaines temporel et fréquentiel . 21
Annexe B (informative) Identification des caractéristiques vibratoires . 26
Annexe C (informative) Modélisation de la charge de marche . 27
Bibliographie . 29
© ISO 2004 – Tous droits réservés iii
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ISO 18649:2004(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 18649 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les machines, les
véhicules et les structures.
iv © ISO 2004 – Tous droits réservés
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NORME INTERNATIONALE ISO 18649:2004(F)
Vibrations mécaniques — Évaluation des résultats de mesures
relatives aux essais dynamiques et aux investigations sur les
ponts
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale fournit une méthode d’évaluation des résultats d’essais dynamiques et
d’investigations sur les ponts et les viaducs. Elle complète le mode opératoire de réalisation des essais donné
dans l’ISO 14963 et tient compte :
des objectifs des essais dynamiques,
des techniques d’analyse des données et d’identification du système,
de la modélisation du pont, et
de l’évaluation des données mesurées.
NOTE 1 L’évaluation peut viser à définir toutes les caractéristiques dynamiques de chaque mode de vibration étudié, à
savoir la fréquence, la rigidité, la forme de mode et l’amortissement, ainsi que leur variation non linéaire en fonction de
l’amplitude de mouvement. Ces éléments peuvent fournir des informations sur les caractéristiques dynamiques d’une
structure pour les comparer avec celles prévues lors de la conception, ou comme base pour la surveillance de l’état ou
l’identification du système.
Les essais dynamiques considérés dans la présente Norme internationale ne remplacent pas les essais
statiques.
La présente Norme internationale donne des lignes directrices sur l’évaluation des mesurages effectués tout
au long du cycle de vie du pont. Les étapes du cycle de vie à prendre en compte sont :
a) pendant la construction et après la mise en service,
b) pendant les essais de mise en service,
c) pendant les périodes spécifiées tout au long du cycle de vie du pont, et
d) immédiatement avant le déclassement du pont.
La présente Norme internationale est applicable aux routes, voies ferrées et ponts et viaducs réservés aux
piétons (à la fois pendant la construction et le fonctionnement) et également à d’autres ouvrages, à conditions
que leur application soit justifiée. L’application de la présente Norme internationale à des structures spéciales
(ponts à haubans et ponts suspendus) nécessite des essais spécifiques qui tiennent compte des
caractéristiques particulières de l’ouvrage.
NOTE 2 Dans la présente Norme international, les « ponts et viaducs » sont appelés « ponts ». Le terme « viaduc »
est utilisé uniquement lorsqu’il est nécessaire de les distinguer.
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2 Références normatives
Les documents de référence ci-après sont indispensables à l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 2041, Vibrations et chocs — Vocabulaire
ISO 14963, Vibrations et chocs mécaniques — Lignes directrices pour essais et études dynamiques des
ponts et viaducs
ISO 14964, Vibrations et chocs mécaniques — Vibrations des structures fixes — Exigences spécifiques pour
le management de la qualité dans le mesurage et l'évaluation des vibrations
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants et ceux donnés dans l’ISO 2041
s’appliquent.
3.1
constructibilité
propriété d’une structure permettant de construire de manière sûre, rapide et rentable
NOTE La constructibilité des ponts peut exiger de construire par vent fort, de sorte qu’il peut être nécessaire de
surveiller les effets du vent sur les vibrations.
3.2
compatibilité environnementale
impact de l’environnement sur un nouveau pont, qu’il peut être nécessaire d’évaluer, impliquant les effets du
vent, le bruit de l’air et les vibrations au sol
3.3
viabilité
état limite au-delà duquel une structure ne satisfait plus aux exigences de fonctionnement de sorte qu’elle
n’est plus adaptée aux besoins
3.4
surveillance
programme de mesurages, généralement sur une période de temps, selon lequel les modifications d’un
paramètre approprié peuvent être interprétées comme indiquant un changement d’état de la structure
NOTE Il est important d’établir des données de référence et de prévoir les modifications attribuables à des facteurs
environnementaux cycliques tels que les variations de température et d’humidité diurnes et saisonnières.
3.5
sécurité de fonctionnement
propriété selon laquelle la circulation routière franchissant un pont à une vitesse appropriée n’est pas affectée
de façon défavorable lors du maintien de la direction ou de la stabilité
3.6
qualité de déplacement
propriété selon laquelle les occupants de véhicules franchissant un pont à une vitesse appropriée ne sont pas
exposés à des niveaux de vibration nuisant à leur confort
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4 Mesurage des vibrations
4.1 Considérations générales
Les lignes directrices relatives au mesurage des vibrations, indiquées dans l’ISO 14963, doivent être suivies
et les exigences applicables à la qualité de ces mesurages, données dans l’ISO 14964, doivent être
satisfaites. Les mesurages peuvent être effectués sur des ponts en construction et en phase de mise en
service, et sur les ponts en service.
4.2 Surveillance d’un pont pendant la construction et pour la mise en service
4.2.1 Objectifs de la surveillance des vibrations
Les Figures 1 et 2 illustrent les relations entre les différentes étapes impliquées dans la surveillance des
vibrations.
Les objectifs de la surveillance des vibrations doivent être indiqués comme suit :
a) évaluation de la précision de construction et de la constructibilité ;
b) évaluation des performances structurelles pendant et après la construction ;
c) évaluation de la sécurité du pont pendant et après sa construction ;
d) évaluation de la viabilité après la construction ;
e) évaluation de la compatibilité environnementale ;
f) détermination des caractéristiques vibratoires initiales pour la maintenance et pour l’étalonnage du
modèle numérique du pont en service ;
g) formulation de remarques sur la conception structurelle.
L’incertitude des résultats lors de chaque processus de mesurage et d’évaluation ne peut pas être évitée et il
est possible d’inclure l’incertitude comme indiqué sur la Figure 1. Par conséquent, la réduction et la
qualification de l’incertitude et de l’erreur de mesure sont requises dans le processus.
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Figure 1 — Logigramme de surveillance des vibrations d’un pont
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Figure 2 — Présentation générale de la surveillance des vibrations d’un pont
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4.2.2 Évaluation de la gestion de la construction
4.2.2.1 Généralités
Les mesurages des vibrations sur les ponts peuvent être réalisés pendant la construction. Par exemple, des
essais de vibration sur les câbles de ponts à haubans ou de ponts suspendus sont utilisés pour contrôler la
tension des câbles. Pour contrôler le profil du pont en construction, il est nécessaire de mesurer les vibrations
des câbles. Des mesurages dynamiques peuvent aussi indiquer quand des niveaux de vibration élevés auront
un effet préjudiciable sur la construction.
4.2.2.2 Évaluation de la tension des câbles
Les caractéristiques dynamiques sont fortement influencées par les conditions de soutien. La tension des
câbles d’un pont à haubans ou d’un pont suspendu est l’un des principaux paramètres de gestion de la
construction. Les vibrations des câbles sont facilement mesurées pour déterminer la fréquence propre des
vibrations transversales. Celles-ci dépendent de la tension des câbles et sont obtenus en utilisant une
équation connue. Dans ce cas, le modèle numérique devra tenir compte de la rigidité et du soutien final des
câbles.
4.2.2.3 Évaluation de la constructibilité
Les mesurages des vibrations peuvent fournir les informations nécessaires pour déterminer à quel moment
l’ouvrage est dangereux ou le contrôle qualité risque d’être détérioré. Si les vibrations du pont et si l’excitation
du vent et du séisme sont mesurées en continu, il est possible de décider du moment où une limite admissible
est dépassée.
4.2.3 Caractéristiques d’évaluation des performances structurelles
4.2.3.1 Généralités
La fréquence propre, l’amortissement et la réponse dynamique de la structure et de la zone voisine, ainsi que
la propagation du son depuis/dans la structure, sont des caractéristiques mesurables qui peuvent être
utilisées pour évaluer les performances structurelles.
4.2.3.2 Fréquences propres et formes de mode
La fréquence propre et sa forme de mode sont des paramètres faciles à mesure. Les conditions de soutien et
la température de la structure sont les principaux facteurs influençant les vibrations propres. Il convient donc
de les surveiller avant et après la construction. L’absence de linéarité géométrique des ponts flexibles et
l’absence de linéarité des matériaux des superstructures sur la substructure sont des aspects qu’il convient de
prendre en compte. Ces aspects sont les suivants :
fréquences propres ;
formes de mode ;
mouvements de patin et conditions aux limites des structures ;
effets de l’absence de linéarité géométrique de la structure ;
absence de linéarité des matériaux du sol ;
effets de l’isolateur et des dispositifs anti-vibration ;
effets de la température.
NOTE L’isolateur et les dispositifs anti-vibration peuvent également provoquer des non-linéarités.
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4.2.3.3 Amortissement
Le coefficient d’amortissement, ou rapport d’amortissement logarithmique, peut aussi être mesuré. Le
mesurage des vibrations non amorties produites par l’arrêt des vibrations forcées donne une mesure directe
des caractéristiques d’amortissement, au moins pour le mode fondamental. Les dépendances vis-à-vis de
l’amplitude et de la température sont des facteurs importants pour le mesurage de l’amortissement. Il peut
être nécessaire de tenir compte des effets des conditions de soutien et des dispositifs d’isolation. Lorsque des
caractéristiques d’amortissement sont requises pour des mouvements de grande amplitude, des essais de
vibration forcée produisant des vibrations de grande amplitude sont appropriés. L’évaluation de séismes de
forte magnitude ou de vents puissants peut nécessiter des valeurs d’amortissement applicables à un
mouvement de grande amplitude.
Les éléments affectant les caractéristiques d’amortissement des ponts sont les suivants :
effets aérodynamiques et hydrodynamiques ;
jonctions et assemblages ;
paliers et patins ;
revêtement (rhéologie des matériaux) ;
effets des substructures ;
effets des fondations.
Les dépendances des fréquences et des caractéristiques d’amortissement des ponts vis-à-vis de l’amplitude
nécessitent une analyse approfondie des données. Des caractéristiques d’amortissement différentes seront
obtenues avec différents types de structure et à différents emplacements, ce qui signifie que l’effet
d’amortissement global fait partie de ces éléments.
4.2.3.4 Caractéristiques des réponses dynamiques d’une structure avec le milieu environnant
Le mesurage de la réponse dynamique peut impliquer des facteurs tels que la contrainte, l’accélération, la
vitesse ou le déplacement. Il est également important de tenir compte des conditions aux limites. Il est
possible que les résultats des essais de vibrations ambiantes ou des essais de résistance au choc ne soient
pas appropriés à certaines évaluations de réponses dynamiques en raison de la faible amplitude de charge. À
l’aide d’essais d’excitation forcée, des courbes de réponse en résonance peuvent fournir des données pour
un mouvement d’amplitude supérieure. Une analyse précise des vibrations ambiantes pour de faibles
amplitudes peut convenir pour surveiller l’intégrité structurelle des ponts. Les essais utilisant des véhicules en
mouvement peuvent donner la réponse dynamique associée à la vitesse et au type de véhicule. L’analyse de
fatigue nécessite de représenter la réponse dynamique sous la forme d’un histogramme d’étendue des
contraintes. Les points à prendre en compte sont les suivants :
précision de l’analyse des vibrations ambiantes ;
essai de résistance au choc pour la propriété dynamique du milieu environnant ;
effets du débit d’eau ou du régime des marées ;
méthode d’excitation.
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4.2.3.5 Propagation du son autour de/dans la structure
Les microphones placés sur le sol encaissant peuvent détecter la propagation du son des ponts due aux
véhicules en mouvement. Les caractéristiques de propagation du son sont utilisées pour évaluer les effets
environnementaux sur la zone voisine. Les paramètres à mesurer sont les suivants :
niveau sonore ;
fréquence sonore ;
densité du trafic routier ;
vitesse des véhicules ;
types de véhicules ;
effets impulsionnels ;
rugosité de la route/voie ;
rigidité du sol et son interaction avec la substructure.
4.2.4 Évaluation de la sécurité pendant et après la construction
4.2.4.1 Confirmation de la conception pour des performances parasismiques
La surveillance des vibrations est nécessaire pour une construction sans danger dans une haute hautement
sismique. Selon les données, les ingénieurs peuvent évaluer le risque pendant la construction, ce qui peut
influencer cette dernière. Les données relatives aux vibrations dans des conditions de charge extrême sont
importantes. L’évaluation repose sur :
les caractéristiques des vibrations propres et de leur amortissement ;
les caractéristiques de réponse dynamique ;
le renforcement de la structure ;
le système d’isolation du pont ; et
le diagnostic de l’intégrité structurelle après une catastrophe.
Lors du processus de conception pour des performances parasismiques, il convient d’établir le modèle
numérique pour la réponse dynamique en combinant l’ensemble/une partie de la superstructure utilisée lors
de la conception statique et la substructure, y compris le soubassement et le sol encaissant. Il convient
d’utiliser ces données lors de l’analyse de l’évaluation.
Il convient de tenir compte du mesurage des vibrations propres de la substructure après sa construction et
des propriétés de vibrations non linéaires du sol. L’évaluation des caractéristiques d’amortissement est
effectuée en comparant les données mesurées avec les données prévues utilisées lors du processus de
conception. Il convient également de tenir compte des conditions de soutien et de la dépendance vis-à-vis de
l’amplitude. Il convient également de tenir compte de l’effet des structures temporaires et du revêtement sur
les propriétés vibratoires.
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4.2.4.2 Confirmation de la conception pour le vent
La réponse dynamique pour le vent peut être mesurée et comparée avec les valeurs prévues. Les valeurs
prévues peuvent être obtenues par des expériences en soufflerie propres au processus de conception
structurelle. Les données mesurées peuvent inclure les effets de la vitesse et du sens du vent ainsi que sa
dépendance vis-à-vis de l’amplitude. Après analyse de tous ces effets, les dispositifs d’amortissement
peuvent être considérés.
4.2.4.3 Confirmation de la conception en fatigue
La résistance à la fatigue tient compte de l’étendue des contraintes dynamiques des éléments et du nombre
de cycles rencontrés. Dans ce cas, l’étendue des contraintes est donnée par la somme de la contrainte
statique et de l’effet de couplage avec un véhicule en mouvement. Il convient de comparer les données
mesurées relatives à la contrainte réelle avec les valeurs prévues utilisées lors de la conception en fatigue. Le
facteur d’amplification dynamique utilisé pour amplifier l’étendue de contraintes statiques dépend du profil
route/voie et du type de mouvement de la charge de trafic. Les effets de couplage avec les véhicules sont
nécessaires pour surveiller l’intégrité structurelle du pont. Les vibrations non stationnaires dues à une
ondulation irrégulière de la surface de la voie et de la route peuvent être importantes.
4.2.5 Viabilité d’un pont achevé
La perception des vibrations par les piétons, les effets des vibrations sur les véhicules en mouvement et le
confort des passagers sont des questions potentielles liées à la viabilité. La surveillance des vibrations est
effectuée pour évaluer ces effets et il convient de contrôler la conception et d’envisager les mesures
nécessaires.
Lors de l’évaluation de la perception des vibrations par les piétons, il convient de tenir compte de l’amplitude
de la réponse dynamique ainsi que de la fréquence des vibrations. Lors de l’évaluation des effets sur les
véhicules en mouvement et sur le confort des passagers, il convient de tenir compte de l’amplitude de la
réponse dynamique sur les planchers et les axes de roues du véhicule.
Lors de la comparaison entre données mesurées et résultats numériques à partir de la modélisation des
charges en mouvement, il convient de tenir compte des effets des vibrations de couplage. Les vibrations du
pont dues aux véhicules en mouvement et le confort des passagers sont également des questions qu’il
convient d’étudier dans le cadre de la viabilité.
4.2.6 Évaluation de la compatibilité environnementale d’un pont achevé
Il convient de tenir compte des vibrations environnementales, du bruit et du changement de direction du vent
lors de l’évaluation de la compatibilité environnementale. Les données mesurées sont utilisées pour analyser
ces effets et sont comparées avec les caractéristiques dynamiques de la structure. Selon les résultats, des
modifications peuvent être nécessaires. La simulation numérique de la propagation des vibrations au sol et de
la propagation du son peut être utilisée pour identifier le niveau de ces effets.
4.2.7 Détermination des caractéristiques vibratoires initiales d’un pont achevé
La surveillance à long terme commencera après la construction et les valeurs initiales des caractéristiques
vibratoires sont requises pour surveiller les modifications des paramètres dues à une détérioration ou à un
endommagement. Les effets de la détérioration ou de l’endommagement sur les caractéristiques vibratoires
étant généralement mineurs, il convient d’utiliser une méthode efficace pour extraire les informations requises
sur l’endommagement. L’excitation locale et l’application du phénomène de battement dû à ces différences
mineures de paramètres modaux sont des méthodes utiles.
4.2.8 Formulation de remarques sur les performances globales
Il convient de transmettre aux ingénieurs concepteurs les données fournies lors de l’évaluation
susmentionnée pour qu’elles soient appliquées lors de conceptions ultérieures. La classification des données
est également utile lorsque les données sont utilisées ultérieurement pour concevoir tous types de ponts.
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4.3 Surveillance d’un pont en service
Les objectifs de la surveillance des vibrations d’un pont en service sont les suivants :
évaluation de la charge en mouvement,
évaluation des performances structurelles,
évaluation des effets du vent et de l’hydrodynamique,
évaluation de la sécurité,
évaluation de la viabilité, et
évaluation de la compatibilité environnementale.
La surveillance normale et la surveillance d’urgence des vibrations d’un pont sont utilisées en fonction de
l’ingénierie de maintenance du pont. L’analyse détaillée destinée à identifier l’endommagement et les défauts
est nécessaire. Les conditions de circulation et la rugosité de la surface de roulement et de la table de
roulement, ainsi que les effets du vent et les effets hydrodynamiques auront un impact significatif sur la
contrainte de fatigue. Il convient de surveiller les effets dynamiques en réalisant des mesurages.
5 Analyse de données et méthode d’identification structurelle
5.1 Généralités
L’identification structurelle vise à fournir une bonne corrélation entre le modèle numérique du pont et les
mesurages expérimentaux. À partir du modèle, qui peut reposer sur des éléments finis, les paramètres
modaux sont identifiés, principalement les fréquences modales et les formes de mode associées. Les mêmes
paramètres peuvent être identifiés par des expériences, avec lesquelles il convient également de déterminer
la valeur d’amortissement pour chaque mode. Selon le problème, les méthodes d’identification peuvent utiliser
soit les modes opératoires dans le domaine temporel soit les modes opératoires dans le domaine fréquentiel.
5.2 Analyse de données et domaine
L’analyse de données peut être effectuée dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel, ou dans
les deux domaines. Selon le problème, il convient que les ingénieurs décident lequel utiliser. Dans la
section A.1, la relation entre le domaine temporel et le domaine fréquentiel est illustrée.
L’analyse des données vibratoires permet d’obtenir les distributions statistiques de la contrainte, de la vitesse,
de l’accélération et du déplacement. Les distributions de la contrainte et du déplacement sont utilisées pour
évaluer l’état des ponts.
5.3 Numérisation
Les données expérimentales obtenues sont généralement numérisées à partir du signal analogique à l’aide
d’un convertisseur analogique/numérique (A/N). La sélection de la fréquence d’échantillonnage ou de
l’intervalle de temps pour le mode opératoire de numérisation est très importante et il convient de veiller à
préserver le degré de précision requis pour les données analogiques. Il convient de tenir compte des
principaux problèmes suivants.
a) Erreur de conversion A/N
Il convient de spécifier avec soin la fréquence d’échantillonnage du convertisseur A/N et il est
recommandé d’indiquer une résolution adaptée à l’objectif de la fréquence propre visée.
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Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.