The use of an instrumented vehicle in a wavelet based damage detection approach for bridge structures

Periodic monitoring of structures such as bridges is necessary as their condition can deteriorate due to environmental conditions and ageing, causing the bridge to become unsafe. This monitoring - so called Structural Health Monitoring (SHM) - can give an early warning if a bridge becomes unsafe. This paper investigates an alternative wavelet-based approach for the monitoring of bridge structures which consists of the use of a vehicle fitted with accelerometers on its axles. A simplified vehicle-bridge interaction model is used in theoretical simulations to examine the effectiveness of the approach in detecting damage in the bridge. The accelerations of the vehicle are processed using a continuous wavelet transform, allowing a time-frequency analysis to be performed. This enables the identification of both the existence and location of damage from the vehicle response. Based on this analysis, a damage index is established. A parametric study is carried out to investigate the effect of parameters such as the bridge span length, vehicle speed, vehicle mass, damage level, signal noise level and road surface roughness on the accuracy of results. In addition, a laboratory experiment is carried out to validate the results of the theoretical analysis and assess the ability of the approach to detect changes in the bridge response.

Experimental investigation of a wavelet based drive-by bridge inspection system incorporating pattern recognition

This paper presents the results of an experimental investigation, carried out in order to verify the feasibility of a ‘drive-by’ approach which uses a vehicle instrumented with accelerometers to detect and locate damage in a bridge. In theoretical simulations, a simplified vehicle-bridge interaction model is used to investigate the effectiveness of the approach in detecting damage in a bridge from vehicle accelerations. For this purpose, the accelerations are processed using a continuous wavelet transform and damage indicators are evaluated and compared. Alternative statistical pattern recognition techniques are incorporated to allow for repeated vehicle passes. Parameters such as vehicle speed, damage level, location and road roughness are varied in simulations to investigate the effect. A scaled laboratory experiment is carried out to assess the effectiveness of the approach in a more realistic environment, considering a number of bridge damage scenarios.

Wavelet Based Damage Detection Approach for Bridge Structures Utilising Vehicle Vibration

This paper investigates a wavelet-based damage detection approach for bridge structures. By analysing the continuous wavelet transform of the vehicle response, the approach aims to identify changes in the bridge response which may indicate the existence of damage. A numerical vehicle-bridge interaction model is used in simulations as part of a sensitivity study. Furthermore, a laboratory experiment is carried out to investigate the effects of varying vehicle configuration, speed and bridge damping on the ability of the vehicle to detect changes in the bridge response. The accelerations of the vehicle and bridge are processed using a continuous wavelet transform, allowing time-frequency analysis to be carried out on the responses of the laboratory vehicle-bridge interaction system. Results indicate the most favourable conditions for successful implementation of the approach.

Experimental validation of a drive-by stiffness identification method for bridge monitoring

An experimental investigation is carried out to verify the feasibility of using an instrumented vehicle to detect and monitor bridge dynamic parameters. The low-cost method consists of the use of a moving vehicle fitted with accelerometers on its axles. In the laboratory experiment, the vehicle–bridge interaction model consists of a scaled two-axle vehicle model crossing a simply supported steel beam. The bridge model also includes a scaled road surface profile. The effects of varying the vehicle model configuration and speed are investigated. A finite element beam model is calibrated using the experimental results, and a novel algorithm for the identification of global bridge stiffness is validated. Using measured vehicle accelerations as input to the algorithm, the beam stiffness is identified with a reasonable degree of accuracy.

Experimental Investigation of the Detection of Bridge Dynamic Parameters using a Moving Vehicle

This paper investigates the feasibility of using an instrumented vehicle to detect bridge dynamic parameters, such as natural frequency and structural damping, in a scaled laboratory experiment. In the experiment, a scaled vehicle model crosses a steel girder which has been adopted as the bridge model. The bridge model also includes a scaled road surface profile. The effects of varying vehicle model mass and speed are investigated. The damping of the girder is also varied. The bridge frequency and changes in damping are detected in the vehicle acceleration response in the presence of a rough road surface profile.

Dynamic axle force and road profile identification using a moving vehicle

The axle forces applied by a vehicle through its wheels are a critical part of the interaction between vehicles, pavements and bridges. Therefore, the minimisation of these forces is important in order to promote long pavement life spans and ensure that bridge loads are small. Moreover, as the road surface roughness affects the vehicle dynamic forces, the monitoring of pavements for highways and bridges is an important task. This paper presents a novel algorithm to identify these dynamic interaction forces which involves direct instrumentation of a vehicle with accelerometers. The ability of this approach to predict the pavement roughness is also presented. Moving force identification theory is applied to a vehicle model in theoretical simulations in order to obtain the interaction forces and pavement roughness from the measured accelerations. The method is tested for a range of bridge spans in simulations and the influence of road roughness level on the accuracy of the results is investigated. Finally, the challenge for the real-world problem is addressed in a laboratory experiment.

Parametric study to extract bridge frequencies from the dynamic response of passing vehicles

A conventional way to identify bridge frequencies is utilizing vibration data measured directly from the bridge. A drawback with this approach is that the deployment and maintenance of the vibration sensors are generally costly and time-consuming. One way to cope with the drawback is an indirect approach utilizing vehicle vibrations while the vehicle passes over the bridge. In the indirect approach, however, the vehicle vibration includes the effect of road surface roughness, which makes it difficult to extract the bridge modal properties. One solution may be subtracting signals of two trailers towed by a vehicle to reduce the effect of road surface roughness. A simplified vehicle-bridge interaction model is used in the numerical simulation; the vehicle - trailer and bridge system are modeled as a coupled model. In addition, a laboratory experiment is carried out to verify results of the simulation and examine feasibility of the damage detection by the indirect method.

A Parametric Study of a Drive by Bridge Inspection System Based on the Morlet Wavelet

Many of the bridges currently in use worldwide are approaching the end of their design lives. However, rehabilitating and extending the lives of these structures raises important safety issues. There is also a need for increased monitoring which has considerable cost implications for bridge management systems. Existing structural health monitoring (SHM) techniques include vibration-based approaches which typically involve direct instrumentation of the bridge and are important as they can indicate the deterioration of the bridge condition. However, they can be labour intensive and expensive. In the past decade, alternative indirect vibration-based approaches which utilise the response of a vehicle passing over a bridge have been developed. This paper investigates such an approach; a low-cost approach for the monitoring of bridge structures which consists of the use of a vehicle fitted with accelerometers on its axles. The approach aims to detect damage in the bridge while obviating the need for direct instrumentation of the bridge. Here, the effectiveness of the approach in detecting damage in a bridge is investigated using a simplified vehicle-bridge interaction (VBI) model in theoretical simulations and a scaled VBI model in a laboratory experiment. In order to identify the existence and location of damage, the vehicle accelerations are recorded and processed using a continuous Morlet wavelet transform and a damage index is established. A parametric study is carried out to investigate the effect of parameters such as the bridge span length, vehicle speed, vehicle mass, damage level and road surface roughness on the accuracy of results.

Eliciting and estimating valid subjective probabilities: An experimental investigation of the Exchangeability Method.

Using a laboratory experiment, we investigate whether incentive compatibility affects subjective probabilities elicited via the exchangeability method (EM), an elicitation technique consisting of several chained questions. We hypothesize that subjects who are aware of the chaining strategically behave and provide invalid subjective probabilities, while subjects who are not aware of the chaining state their real beliefs and provide valid subjective probabilities. The validity of subjective probabilities is investigated using de Finetti's notion of coherence, under which probability estimates are valid if and only if they obey all axioms of probability theory.
Four experimental treatments are designed and implemented. Subjects are divided into two initial treatment groups: in the first, they are provided with real monetary incentives, and in the second, they are not. Each group is further sub-divided into two treatment groups, in the first, the chained structure of the experimental design is made clear to the subjects, while, in the second, the chained structure is hidden by randomizing the elicitation questions.
Our results suggest that subjects provided with monetary incentives and randomized questions provide valid subjective probabilities because they are not aware of the chaining which undermines the incentive compatibility of the exchangeability method.

Patterns of co‑occurrence and interactions between age classes of the common triplefin, Forsterygion lapillum

Many marine organisms have pelagic larval stages that settle into benthic habitats occupied by older individuals; however, a mechanistic understanding of inter cohort interactions remains elusive for most species. Patterns of spatial covariation in the densities of juvenile and adult age classes of a small temperate reef fish, the common triplefin (Forsterygion lapillum), were evaluated during the recruitment season (Feb–Mar, 2011) in Wellington, New Zealand (41°17′S, 174°46′E). The relationship between juvenile and adult density among sites was best approximated by a dome-shaped curve, with a negative correlation between densities of juveniles and adults at higher adult densities. The curve shape was temporally variable, but was unaffected by settlement habitat type (algal species). A laboratory experiment using a “multiple-predator effects”design tested the hypothesis that increased settler mortality in the presence of adults (via enhanced predation risk or cannibalism) contributed to the observed negative relationship between juveniles and adults. Settler mortality did not differ between controls and treatments that contained either one (p = 0.08) or two (p = 0.09) adults. However, post hoca analyses revealed a significant positive correlation between the mean length of juveniles used in experimental trials and survival of juveniles in these treatments, suggesting that smaller juveniles may be vulnerable to cannibalism. There was no evidence for risk enhancement or predator interference when adults were present alongside a hetero specific predator (F. varium). These results highlight the complex nature of intercohort relationships in shaping recruitment patterns and add to the growing body of literature recognizing the importance of age class interactions.

A wavelet based drive-by bridge inspection system

This paper investigates a low-cost wavelet-based approach for the preliminary monitoring of bridge structures, consisting of the use of a vehicle fitted with accelerometers on its axles. The approach aims to reduce the need for direct instrumentation of the bridge. A time-frequency analysis is carried out in order to identify the existence and location of damage from vehicle accelerations. Firstly, in theoretical simulations, a simplified vehicle-bridge interaction model is used to investigate the effectiveness of the approach. A number of damage indicators are evaluated and compared. A range of parameters such as the bridge span, vehicle speed, damage level and location, signal noise and road roughness are varied in simulations. Secondly, a scaled laboratory experiment is carried out to validate the results of the theoretical analysis and assess the ability of the selected damage indicators to detect changes in the bridge response from vehicle accelerations. 

The skill paradox: Explaining and reducing employment discrimination against skilled immigrants

Using a social identity theory approach, we theorized that recruiters might be particularly biased against skilled immigrant applicants. We refer to this phenomenon as a skill paradox, according to which immigrants are more likely to be targets of employment discrimination the more skilled they are. Furthermore, building on the common ingroup identity model, we proposed that this paradox can be resolved through human resource management (HRM) strategies that promote inclusive hiring practices (e.g., by emphasizing fit with a diverse clientele). The results from a laboratory experiment were consistent with our predictions: Local recruiters preferred skilled local applicants over skilled immigrant applicants, but only when these applicants were qualified for a specific job. This bias against qualified and skilled immigrant applicants was attenuated when fit with a diverse clientele was emphasized, but not when fit with a homogeneous clientele was emphasized or when the hiring strategy was not explained. We discuss the implications of our findings for research on employment discrimination against skilled immigrants, including the role of inclusiveness for reducing discriminatory biases.

Effet de l'histoire lumineuse sur la sensibilité rétinienne et circadienne à la lumière

L’objectif de ce projet de recherche était de vérifier la présence de changements de sensibilité de la rétine et du système circadien suite à deux semaines d'exposition à un milieu faiblement ou fortement éclairé, dans des conditions contrôlées en laboratoire. De plus, comme un changement de sensibilité peut modifier l'ajustement du système circadien au cycle jour-nuit extérieur, nous voulions également vérifier si la phase circadienne serait modifiée par le traitement et si la vigilance et l’humeur seraient affectées. Dix sujets ont été exposés à de la lumière tamisée (70 lux [LT]) et 10 ont été exposés à de la lumière vive (3000 lux [LV]) pendant 12 jours consécutifs en laboratoire de 8h45 à 19h00 tous les jours. L’exposition à la lumière a été mesurée 5 jours avant l’entrée au laboratoire dans l’habitat naturel du sujet et pendant la période en laboratoire à l’aide de l’Actiwatch-L®. La sensibilité rétinienne a été mesurée avant et après le traitement lumineux, par un électrorétinogramme (ERG) et la sensibilité circadienne, par le test de suppression de mélatonine salivaire. Tout au long du protocole, la vigilance, la somnolence et l'humeur ont été évaluées à plusieurs moments de la journée à intervalles prédéterminés. Après 12 jours d’exposition en lumière contrôlée, l’amplitude de l’onde-a au Vmax à l’ERG photopique a diminué en LV alors qu’elle a augmenté en LT. À l’ERG scotopique, une différence de sensibilité rétinienne (log K) entre les groupes avant le traitement expérimental s’est amenuisée à la fin du traitement (p=.053). La suppression de mélatonine après 90 minutes d’exposition au test de suppression a diminué en LV alors qu’il n’y a pas eu de modification en LT, cependant cette interaction n’était pas significative (p=.16). La phase circadienne des sujets exposés à LV a été devancée de 58 minutes (p=.04) alors qu’elle a été retardée de 26 minutes en LT (p=.32). Les mesures de vigilance subjective (EVA) ont indiqué que les sujets LV se considéraient plus éveillés que les sujets LT après le traitement (p=.02). Par contre, aucune différence n’est apparue quant aux mesures de performance psychomotrice ni de l’humeur. L’histoire lumineuse n’a pas modifié la sensibilité rétinienne dans le sens prévu par les hypothèses alors qu’il y a eu une tendance vers une augmentation de la sensibilité circadienne en condition de lumière tamisée. L’amélioration de la vigilance subjective après l’exposition en LV n’a pas été soutenue par les résultats de la performance psychomotrice. L’histoire lumineuse n’a eu aucun effet sur l’humeur des sujets. Cette étude souligne l’importance d’utiliser des mesures permettant de départager les effets immédiats d’un traitement lumineux des effets à long terme autant sur le plan rétinien que circadien. Il reste également complexe d’étudier en laboratoire des changements adaptatifs qui se produisent dans le milieu naturel en raison du confinement et des modifications physiologiques et psychologiques pouvant y être associées.

Élections expérimentales : la désertion stratégique et la participation sous différents modes de scrutin

Cette thèse s'intéresse au lien qui existe entre le système électoral et deux comportements importants de la vie civique, soit la participation à une élection et la désertion stratégique du candidat préféré vers un autre candidat. Ces thèmes sont abordés dans de nombreux et de très importants ouvrages en science politique. En passant par la théorie (Downs, 1957) jusqu'à des études de terrain par l'entremise de sondages (Abramson, 2010; Blais, 2010), diverses méthodologies ont été employées pour mieux expliquer les choix des électeurs. Ma contribution à l'avancement des connaissances dans ce domaine passe par l'usage de la méthode expérimentale pour mieux saisir les similitudes et différences dans les comportements des électeurs sous le système uninominal à un tour (UT) et la représentation proportionnelle (RP) ainsi que les mécanismes au niveau individuel qui produisent ces similitudes et différences. Le cœur de la thèse est composé des trois articles dont voici les résumés : Article 1. Des élections expérimentales faites à Montréal, Paris et Bruxelles permettent d'estimer l’influence directe du mode de scrutin sur la décision des électeurs de voter ou non, et de voter pour leur parti préféré ou non. En tout, 16 groupes de 21 électeurs votent sous différents systèmes électoraux, soit le UT et la RP. Les préférences sont attribuées aléatoirement et connues de tous les participants. Nos résultats indiquent que le vote n'est pas globalement plus sincère et que la participation électorale n'est pas plus élevée sous le système proportionnel. Toutefois, nous observons moins de désertion d'un petit parti sous le système proportionnel. Article 2. Les expériences permettent également d'expliquer pourquoi les électeurs votent parfois pour un parti autre que leur parti préféré. La conclusion principale est que la décision de voter de façon sincère ou non est influencée par les préférences individuelles, mais aussi par les perceptions des chances de gagner des candidats ainsi que des chances que son propre vote puisse décider le résultat de l'élection. Les électeurs qui désertent leur premier choix prennent en considération quel candidat est le plus près de leurs positions politiques, mais également de la viabilité de cette alternative. De plus, les électeurs qui aiment prendre des risques ont davantage tendance à déserter. Article 3. Le modèle de l'électeur pivot est mis à l'épreuve pour mieux comprendre la décision de voter ou non lors d'une élection. Nos expériences permettent de répliquer, avec un devis expérimental différent, les résultats importants des travaux de Duffy et Tavits (2008). Nos résultats confirment que la perception d'être pivot augmente la participation, que ces perceptions sont sujettes à la surestimation et que cette surestimation ne décline pas complètement dans le temps. Nous allons également plus loin que les recherches de Duffy et Tavits et nous trouvons que la participation n'est pas plus forte sous RP que sous UT et que la probabilité d'être pivot a un impact plus important chez les électeurs évitant de prendre des risques.

Écologie et implications trophiques de la cyanobactérie Lyngbya wollei dans le fleuve Saint-Laurent

Les proliférations nuisibles de la cyanobactérie filamenteuse benthique Lyngbya wollei qui forme des tapis déposés sur les sédiments ont augmenté en fréquence au cours des 30 dernières années dans les rivières, lacs et sources de l'Amérique du Nord. Lyngbya wollei produit des neurotoxines et des composés organiques volatils (géosmin, 2-méthylisobornéol) qui ont des répercussions sur la santé publique de même que des impacts d'ordre socioéconomiques. Cette cyanobactérie est considérée comme un habitat et une source de nourriture de piètre qualité pour les invertébrés en raison de sa gaine robuste et de sa production de toxines. Les proliférations de L. wollei ont été observées pour la première fois en 2005 dans le fleuve Saint-Laurent (SLR; Québec, Canada). Nous avons jugé important de déterminer sa distribution sur un tronçon de 250 km afin d'élaborer des modèles prédictifs de sa présence et biomasse en se basant sur les caractéristiques chimiques et physiques de l'eau. Lyngbya wollei était généralement observé en aval de la confluence de petits tributaires qui irriguent des terres agricoles. L’écoulement d’eaux enrichies à travers la végétation submergée se traduisait par une diminution de la concentration d’azote inorganique dissous (DIN), alors que les concentrations de carbone organique dissous (DOC) et de phosphore total dissous (TDP) demeuraient élevées, produisant un faible rapport DIN :TDP. Selon nos modèles, DOC (effet positif), TP (effet négatif) et DIN :TDP (effet négatif) sont les variables les plus importantes pour expliquer la répartition de cette cyanobactérie. La probabilité que L. wollei soit présent dans le SLR a été prédite avec exactitude dans 72 % à 92 % des cas pour un ensemble de données indépendantes. Nous avons ensuite examiné si les conditions hydrodynamiques, c'est-à-dire le courant généré par les vagues et l'écoulement du fleuve, contrôlent les variations spatiales et temporelles de biomasse de L. wollei dans un grand système fluvial. Nous avons mesuré la biomasse de L. wollei ainsi que les variables chimiques, physiques et météorologiques durant trois ans à 10 sites le long d'un gradient d'exposition au courant et au vent dans un grand (148 km2) lac fluvial du SLR. L'exposition aux vagues et la vitesse du courant contrôlaient les variations de biomasses spatiales et temporelles. La biomasse augmentait de mai à novembre et persistait durant l'hiver. Les variations interannuelles étaient contrôlées par l'écoulement de la rivière (niveau d'eau) avec la crue printanière qui délogeait les tapis de l'année précédente. Les baisses du niveau d'eau et l'augmentation de l'intensité des tempêtes anticipées par les scénarios de changements climatiques pourraient accroître la superficie colonisée par L. wollei de même que son accumulation sur les berges. Par la suite, nous avons évalué l'importance relative de L. wollei par rapport aux macrophytes et aux épiphytes. Nous avons examiné l'influence structurante de l'échelle spatiale sur les variables environnementales et la biomasse de ces producteurs primaires (PP) benthiques. Nous avons testé si leur biomasse reflétait la nature des agrégats d'habitat basées sur l'écogéomorphologie ou plutôt le continuum fluvial. Pour répondre à ces deux questions, nous avons utilisé un design à 3 échelles spatiales dans le SLR: 1) le long d'un tronçon de 250 km, 2) entre les lacs fluviaux localisés dans ce tronçon, 3) à l'intérieur de chaque lac fluvial. Les facteurs environnementaux (conductivité et TP) et la structure spatiale expliquent 59% de la variation de biomasse des trois PP benthiques. Spécifiquement, les variations de biomasses étaient le mieux expliquées par la conductivité (+) pour les macrophytes, par le ratio DIN:TDP (+) et le coefficient d'extinction lumineuse (+) pour les épiphytes et par le DOC (+) et le NH4+ (-) pour L. wollei. La structure spatiale à l'intérieur des lacs fluviaux était la plus importante composante spatiale pour tous les PP benthiques, suggérant que les effets locaux tels que l'enrichissement par les tributaire plutôt que les gradients amont-aval déterminent la biomasse de PP benthiques. Donc, la dynamique des agrégats d'habitat représente un cadre général adéquat pour expliquer les variations spatiales et la grande variété de conditions environnementales supportant des organismes aquatiques dans les grands fleuves. Enfin, nous avons étudié le rôle écologique des tapis de L. wollei dans les écosystèmes aquatiques, en particulier comme source de nourriture et refuge pour l'amphipode Gammarus fasciatus. Nous avons offert aux amphipodes un choix entre des tapis de L. wollei et soit des chlorophytes filamenteuses ou un tapis artificiel de laine acrylique lors d'expériences en laboratoire. Nous avons aussi reconstitué la diète in situ des amphipodes à l'aide du mixing model (d13C et δ15N). Gammarus fasciatus choisissait le substrat offrant le meilleur refuge face à la lumière (Acrylique>Lyngbya=Rhizoclonium>Spirogyra). La présence de saxitoxines, la composition élémentaire des tissus et l'abondance des épiphytes n'ont eu aucun effet sur le choix de substrat. Lyngbya wollei et ses épiphytes constituaient 36 et 24 % de l'alimentation in situ de G. fasciatus alors que les chlorophytes, les macrophytes et les épiphytes associées représentaient une fraction moins importante de son alimentation. Les tapis de cyanobactéries benthiques devraient être considérés comme un bon refuge et une source de nourriture pour les petits invertébrés omnivores tels que les amphipodes.