Interferometric Synthetic Aperture Radar for bridge engineering: from collapse analysis to structural monitoring

Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) is a satellite-based technology that can currently used to measure displacement of civil infrastructures. With respect to direct Structural Health Monitoring (SHM) techniques based on in-situ devices, InSAR eliminates the costs and maintenance of on-site installations, while also enabling to retrospectively analyze the behavior of the structure. However, in the context of bridge monitoring, InSAR is still surrounded by scepticalness. Compared to the on-site based technologies, the identification of damage in a bridge using exclusively this remote technology is still challenging, mainly because a clear methodology on how to link the InSAR displacements patterns to anomalous bridge behavior is still lacking and how to detect anomalous displacement patterns is still an open research question. InSAR may nevertheless provide a valuable retrospective assessment tool for collapse analysis. However, many collapsed bridges were not monitored through in-situ SHMs, either due to budget restrictions or the absence of any apparent structural issues prior to their failure. Consequently, validating the retrospective capacity of InSAR with existing and more consolidated in-situ investigations still remains a critical challenge that limits the integration of this remote sensing technology into a comprehensive and efficient bridge collapse assessment strategy. This thesis presents two methodologies for bridge analysis relying on InSAR measurements, with the possibility of integrating information from in-situ investigations and environmental datasets. A post-collapse assessment methodology is proposed, based on the structural interpretation of InSAR measurements supported by Finite Element Method (FEM) modelling. In addition, an anomaly detection approach is developed, which uses InSAR datasets and environmental data to compare observed displacements with predicted patterns derived from the historical behavior of the bridge and environmental conditions. The proposed methodologies are tested on three real case studies of riverine bridge collapse. The results highlight the potential of this remote sensing technique not only to cross-check the causes of failure but also to detect precursors of collapse and anomalous deformation patterns in bridges.

L’Interferometria SAR ad Apertura Sintetica (InSAR) è una tecnologia satellitare che può essere attualmente utilizzata per misurare gli spostamenti delle infrastrutture civili. Rispetto alle tecniche dirette di Structural Health Monitoring (SHM) basate su dispositivi installati in situ, l’InSAR elimina i costi della manutenzione delle installazioni sul posto, consentendo inoltre di analizzare retrospettivamente il comportamento della struttura. Tuttavia, nel contesto del monitoraggio dei ponti, l’InSAR è ancora circondato da un certo scetticismo. Rispetto alle tecnologie basate su misurazioni in situ, l’identificazione del danno in un ponte utilizzando esclusivamente questa tecnologia remota rimane ancora complessa, principalmente perché manca una metodologia chiara per collegare i pattern di spostamento rilevati tramite InSAR a comportamenti anomali della struttura, e perché il rilevamento di pattern di spostamento anomali costituisce tuttora una questione di ricerca aperta. L’InSAR può comunque rappresentare un prezioso strumento di valutazione retrospettiva per l’analisi dei collassi strutturali. Tuttavia, molti ponti crollati non erano monitorati mediante sistemi SHM in situ, sia a causa di limitazioni di budget sia per l’assenza di apparenti criticità strutturali prima del cedimento. Di conseguenza, la validazione delle capacità retrospettive dell’InSAR attraverso indagini in situ già esistenti e più consolidate rimane una sfida cruciale, che limita l’integrazione di questa tecnologia di telerilevamento in una strategia completa ed efficiente di valutazione dei collassi dei ponti. Questa tesi presenta due metodologie per l’analisi dei ponti basate su misure InSAR, con la possibilità di integrare informazioni provenienti da indagini in situ e dataset ambientali. Viene proposta una metodologia di valutazione post-collasso, basata sull’interpretazione strutturale delle misure InSAR supportata dalla modellazione mediante Metodo degli Elementi Finiti (FEM). Inoltre, viene sviluppato un approccio di rilevamento delle anomalie che utilizza dataset InSAR e dati ambientali per confrontare gli spostamenti osservati con i pattern previsti derivati dal comportamento storico del ponte e dalle condizioni ambientali. Le metodologie proposte sono state testate su tre casi studio reali di collasso di ponti fluviali. I risultati evidenziano il potenziale di questa tecnica di telerilevamento non solo nel verificare le cause del cedimento, ma anche nell’individuare precursori di collasso e pattern di deformazione anomali nei ponti.