Sensitivity analysis of bridge structures to time-dependent effects

Most existing bridges were designed according to past theories, less severe loading conditions, less performant materials and ingenuous expectations with respect to the wear caused by time. For medium-long span reinforced and prestressed bridges, experiences of the last decades showed excessive vertical displacements, slope discontinuities and longitudinal displacements greater than the allowable excursions of joints and bearing supports. The final configuration of long bridges is obtained by contrasting the permanent loads with suitable constraints, like a prestressing distribution for cantilever bridges or the pretensioning of a suspension system for cable-stayed bridges. The expected attitude of the deck thus results from the difference between two opposite large numbers, expressing these two “antagonist” actions. As known, such a difference is greatly sensitive to small changes in one or both of these numbers and may therefore results in disproportionate static or deformative effects on the structural assembly. In this thesis the role of factors which influence the sensitivity of these systems is studied: the initial choice of the basic static scheme, the influence of the tendon layout, the constraints imposed by technical practice, the environmental conditions, the capability of analytical models supporting the design and, in particular, the role of uncertainties which affect these factors. The assessment of two existing bridges led us to conclude that there are systems, such as cantilever prestressed bridges, which are highly sensitive to choices of the initial design (static and prestressing schemes) and to time-dependent effects, while there are others, such as cable-stayed bridges, whose behaviour is stable and self-stabilizing over time. The work ends proposing design and technological advice to limit drawbacks which cannot be ruled out by analysis only and strongly depend on uncertain factors.

Molti dei ponti esistenti sono stati progettati in accordo a teorie del passato, condizioni di carico meno severe e sono stati realizzati impiegando materiali meno performanti e sottostimando i fenomeni indotti nel tempo dall’usura. Per ponti di media e grande luce in calcestruzzo armato e in calcestruzzo armato precompresso, le esperienze degli scorsi decenni hanno evidenziato il manifestarsi di spostamenti verticali eccessivi, discontinuità nelle pendenze dell’asse stradale e spostamenti longitudinali più grandi delle escursioni permesse dai giunti e dagli appoggi. La configurazione finale dei ponti di grande luce è ottenuta contrastando i carichi verticali con opportuni accorgimenti, quali una corretta progettazione del sistema di pretensione per i ponti costruiti a sbalzo e del sistema di stralli per i ponti strallati. Il comportamento atteso dell’impalcato deriva dalla differenza tra due grandi numeri, che esprimono queste azioni antagoniste. Come noto, questa differenza è molto sensibile a piccole variazioni di una o entrambe di queste grandezze e può pertanto generare effetti statici o deformativi sproporzionati per l’intera struttura. In questa tesi si analizza il ruolo dei fattori che influenzano la sensitività di questi sistemi: la scelta iniziale dello schema statico, l’influenza del tracciato dei cavi, i vincoli imposti dalla pratica costruttiva, le condizioni ambientali, l’adeguatezza dei modelli analitici utilizzati in sede progettuale ed in particolare il ruolo delle incertezze su tutti questi fattori. L’analisi di due ponti esistenti ci porta a concludere che ci sono sistemi, come i ponti precompressi costruiti a sbalzo, che sono molto sensibili alle scelte progettuali iniziali (schema statico e sistema di precompressione) e agli effetti differiti, mentre ce ne sono altri, come i ponti strallati, il cui comportamento è stabile e auto-stabilizzante nel tempo. Il lavoro si conclude proponendo suggerimenti progettuali e tecnologici per limitare inconvenienti che non possono essere scongiurati dalle sole analisi e che dipendono fortemente da fattori incerti.