Improving the procedure of probabilistic load testing design of typical bridges based on structural response similarities

• Autorzy: Owerko P. , Winkelmann K.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135224

Warianty tytułu

PL

Wzbogacenie procedury probabilistycznego projektowania próbnego obciążenia mostów typowych na podstawie cech wspólnych mechanicznej odpowiedzi konstrukcji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper concerns load testing of typical bridge structures performed prior to operation. In-situ tests of a two-span post-tensioned bridge loaded with three vehicles of 38-ton mass each formed the input of this study. On the basis of the results of these measurements an advanced FEM model of the structure was developed for which the sensitivity analysis was performed for chosen uncertainty sources. Three uncorrelated random variables representing material uncertainties, imperfections of positioning and total mass of loading vehicles were indicated. Afterwards, two alternative FE models were created based on a fully parametrised geometry of the bridge, differing by a chosen global parameter – the skew angle of the structure. All three solid models were subjected to probabilistic analyses with the use of second-order Response Surface Method in order to define the features of structural response of the models. It was observed that both the ranges of expected deflections and their corresponding mean values decreased with an increase of the skewness of the bridge models. Meanwhile, the coefficient of variation and relative difference between the mean value and boundary quantiles of the ranges remain insensitive to the changes in the skew angle. Owing to this, a procedure was formulated to simplify the process of load testing design of typical bridges differing by a chosen global parameter. The procedure allows - if certain conditions are fulfilled - to perform probabilistic calculations only once and use the indicated probabilistic parameters in the design of other bridges for which calculations can be performed deterministically.

PL

Pracę otwiera przegląd najnowszej literatury fachowej o zasięgu międzynarodowym, dotyczącej próbnych obciążeń obiektów mostowych. W licznych publikacjach badawczych jednoznacznie stwierdzono, iż zasadne jest, by często stosowane w tym zakresie metody deterministyczne uzupełniać lub zastępować analizami probabilistycznymi. Niniejsza praca stanowi zatem rozwinięcie dotychczasowych osiągnięć i spostrzeżeń. Przedmiotem pracy jest analiza możliwości zwiększenia efektywności procesu przygotowania probabilistycznych projektów próbnych obciążeń typowych konstrukcji mostowych, różniących się wybranym parametrem geometrycznym (w tym przypadku – kątem ukosu konstrukcji „α”) przed ich dopuszczeniem do eksploatacji w zakresie pomiarów statycznych. Punktem wyjściowym przedstawionej analizy jest próbne obciążenie in-situ typowego, drogowego mostu sprężonego. Jednym z podstawowych kryteriów dopuszczenia obiektu mostowego do użytkowania w niektórych krajach, jest wykazanie, iż ugięcia dźwigarów głównych obiektu mostowego wywołane statycznym obciążeniem próbnym są mniejsze niż te określone teoretycznie w modelu MES obiektu. W pierwszej kolejności zatem, wyniki pochodzące z rzeczywistych badań próbnego obciążenia zostały zestawione z ich teoretycznymi odpowiednikami, pochodzącymi z prostego modelu rusztowego mostu. Ten przykład ogranicza się do analizy maksymalnych ugięć jednego z dźwigarów głównych obiektu. Wykazano, iż ugięcia z pomiarów in-situ (pomierzone przemieszczenia zostały odpowiednio przeliczone na ugięcia, aby uwzględnić wpływ osiadania podpór i zgniotów łożysk) były mniejsze niż te określone teoretycznie. Nie było zatem podstaw do niedopuszczenia mostu do użytkowania ze względu na niespełnienie kryterium ugięć. Jednakże, w rezultacie analizy wykazano, iż wyniki odpowiedzi konstrukcji z prostego modelu deterministycznego różniły się znacznie od wyników pomiarów. W związku z tym, w celu opracowania procedury zwiększenia efektywności procesu przygotowywania probabilistycznych projektów próbnych obciążeń obiektów typowych, do dalszych analiz porównawczych i probabilistycznych wygenerowany został znacząco bardziej zaawansowany model bryłowy MES.

Słowa kluczowe

EN

bridge; in-situ test; load testing; imperfection; uncertainty; sensitivity analysis; probability analysis; response surface method; Monte Carlo simulation; finite element model; FEM; experiment design

PL

obciążenie próbne; most; imperfekcja; niepewność; analiza wrażliwości; analiza probabilistyczna; metoda powierzchni odpowiedzi; symulacja Monte Carlo; metoda elementów skończonych; MES; projektowanie eksperymentu

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 4
• Strony: 325--342
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Owerko P.

• Faculty of Materials, Civil and Environmental Engineering, University of Bielsko-Biala, Bielsko-Biala, Poland

autor

Winkelmann K.

• Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk University of Technology, Gdańsk, Poland

Bibliografia

• 1. J. Bień, M. Kużawa, T. Kamiński, “Validation of numerical models of concrete box bridges based on load test results”, Archives of Civil and Mechanical Engineering 15(4): 1046-1060, 2015.
• 2. G. E. P. Box, K. B. Wilson, “On the Experimental Attainment of Optimum Conditions”, Journal of the Royal Statistical Society. Series B (Methodological) 13(1): 1-45, 1951.
• 3. T. Braml, A. Taffe, S. Feistkorn, O. Wurzer, “Assessment of Existing Structures using Probabilistic Analysis Methods in Combination with Nondestructive Testing Methods”, Structural Engineering International 23(4): 376-385, 2013.
• 4. J. Cheng, R. Xiao, “Probabilistic free vibration and flutter analyses of suspension bridges”, Engineering Structures 27(10): 1509-1518, 2005.
• 5. H.-N. Cho, Y.-M. Choi, B.-C. Sho, “Field load testing and reliability-based integrity assessment of segmental PC box girder bridges before opening to traffic”, Engineering Structures 20: 948-956, 1998.
• 6. J. Cieśla, M. Biskup, Ł. Topczewski, M. Skawiński, “Cases of failure of bridge structures during the process of pre-stressing”, Roads and Bridges - Drogi i Mosty 1: 15-35, 2017.
• 7. B. Endres, M. Wagner, V. Marg, H. Nienhoff, M. Pfisterer, W. Eilzer, M. Kwiatkowski, “Design manual BAB A3-Würzburg to Erlangen” (Ed. S. Altrock), 2017.
• 8. Eurocode 2. Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2004.
• 9. J. Gocał, Ł. Ortyl, T. Owerko, P. Kuras, R. Kocierz, P. Ćwiąkała, A. Bałut, “Determination of displacements and vibrations of engineering structures using ground-based radar interferomentry”, 2013.
• 10. T. Guo, D. M. Frangopol, Y. Chen, “Fatigue reliability assessment of steel bridge details integrating weigh-inmotion data and probabilistic finite element analysis” Computers & Structures 112-113: 245-257, 2012.
• 11. K. Hacıefendioğlu, H. B. Başağa, S. Banerjee, “Probabilistic analysis of historic masonry bridges to random ground motion by Monte Carlo Simulation using Response Surface Method”, Construction and Building Materials 134: 199-209, 2017.
• 12. M. Hassan, O. Burdet, R. Favre, “Ultrasonic measurements and static load tests in bridge evaluation”, NDT&E International 28(6): 331-337, 1995.
• 13. D. Hester, J. Brownjohn, M. Bocian, Y. Xu, “Low cost bridge load test: Calculating bridge displacement from acceleration for load assessment calculations”, Engineering Structures 143: 358-374, 2017.
• 14. E. Jones, T. Oliphant, P. Peterson, “SciPy: Open Source Scientific Tools for Python”, 2001.
• 15. R. W. Kennard, L. A. Stone, “Computer Aided Design of Experiments”, Technometrics 11(1): 137-148, 1969.
• 16. A. Knoppik-Wróbel, B. Klemczak, “Degree of restraint concept in analysis of early-age stresses in concrete walls”, Engineering Structures 102: 369-386, 2015.
• 17. M. Łagoda, “Potrzeba wykonywania badań konstrukcji mostowych pod próbnym obciążeniem statycznym i dynamicznym”, Wroclaw’s Bridge Days seminar, Wroclaw, Poland, 2013.
• 18. E. O. L. Lantsoght, C. van der Veen, A. de Boer, D. A. Hordijk, “State-of-the-art on load testing of concrete bridges”, Engineering Structures 150: 231-241, 2017.
• 19. E. O. L. Lantsoght, C. van der Veen, D. A. Hordijk, A. de Boer, “Development of recommendations for proof load testing of reinforced concrete slab bridges”, Engineering Structures 152: 202-210, 2017.
• 20. M. Laura, C. Francesco, F. Antonio, “Static and dynamic testing of highway bridges: A best practice example”, Journal of Civil Structural Health Monitoring 10: 43-56, 2020.
• 21. P. Łaziński, “Procedura modelowania obiektów rzeczywistych w postaci pewnego typu konstrukcji mostowych”, 2009.
• 22. P. Łaziński, M. Salamak, “Load test of extremely wide extradosed concrete bridge”, Proceedings of the 11th Central European Congress on Concrete Engineering CCC 2015: 302-305, 2015.
• 23. A. S. Nowak, T. Cho, “Prediction of the combination of failure modes for an arch bridge system”, Journal of Constructional Steel Research 63(12): 1561-1569, 2007.
• 24. A. S. Nowak, T. Tharmabala, “Bridge Reliability Evaluation Using Load Tests”, Journal of Structural Engineering 114(10): 2268-2279, 1988.
• 25. P. Olaszek, M. Łagoda, J. Ramon Casas, “Diagnostic load testing and assessment of existing bridges: Examples of application”, Structure and Infrastructure Engineering 10(6): 834-842, 2014.
• 26. P. Owerko, “The stochastic finite element method in the assessment of bridge infrastructure objects - Review”, E3S Web of Conferences 45: 00062, 2018.
• 27. P. Owerko, M. Honkisz, “Innovative technique for identification of prestressing tendons layout in post-tensioned bridges using a probe with MEMS accelerometer”, Structure and Infrastructure Engineering 13(7): 869-881, 2017.
• 28. P. Owerko, K. Winkelmann, J. Górski, “Application of probabilistic tools to extend load test design of bridges prior to opening”, Structure and Infrastructure Engineering 16(7): 931-948, 2020.
• 29. F. Pedregosa, G. Varoquaux, A. Gramfort, V. Michel, B. Thirion, O. Grisel, É. Duchesnay, “Scikit-learn: Machine Learning in Python”, Journal of Machine Learning Research 12: 2825-2830, 2011.
• 30. PN-S-10040. “Obiekty mostowe: Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone; Wymagania i badania”, 1999.
• 31. Probabilistic Model Code-JCSS, 2018.
• 32. L. Sgambi, E. Garavaglia, N. Basso, F. Bontempi, “Monte Carlo simulation for seismic analysis of a long span suspension bridge”, Engineering Structures 78: 100-111, 2014.
• 33. S. S. Shapiro, M. B. Wilk, “An analysis of variance test for normality (complete samples)”, Biometrika 52(3/4): 591-611, 1965.
• 34. T. Siwowski, E. Michalak, D. Kaleta, E. Reizer, D. Macheta, “Katalog typowych konstrukcji drogowych obiektów mostowych i przepustów”, 2018.
• 35. J. Szafran, M. Kamiński, “Bridges for Pedestrians with Random Parameters using the Stochastic Finite Elements Analysis”, International Journal of Applied Mechanics and Engineering 22(1): 175-197, 2017.
• 36. D. V. Val, M. G. Stewart, R. E. Melchers, “Life-Cycle Performance of RC Bridges: Probabilistic Approach”, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering 15(1): 14-25, 2000.
• 37. K. Winkelmann, “Probabilistic Methods in Reliability Assessment of Engineering Lightweight Structures”, XXIV Lightweight Structures in Civil Engineering - Contemporary Problems: 147-157, 2018.
• 38. V. Yepes, J. V. Martí, T. García-Segura, F. González-Vidosa, Heuristics in optimal detailed design of precast road bridges”, Archives of Civil and Mechanical Engineering 17(4); 738-749, 2017.
• 39. W. Zhang, C. S. Cai, F. Pan, “Nonlinear fatigue damage assessment of existing bridges considering progressively deteriorated road conditions”, Engineering Structures 56: 1922-1932, 2013.
• 40. G.-D. Zhou, T.-H. Yi, “Thermal Load in Large-Scale Bridges: A State-of-the-Art Review”, International Journal of Distributed Sensor Networks 9(12): 217983, 2013.