On-site measurements and structural modelling for the assessment of residual prestressing : the Kalix bridge

The direct socio-economic impact of loss of capacity on aging infrastructure systems has motivated a continuous revision and update of current design standards and guidelines of critical network components subjected to long-term deterioration processes. The analysis and evaluation of crucial structural assets, such as prestressed concrete bridges, should be conceived in such a way to provide engineering practitioners with theoretically consistent and easy-to-apply methodologies to prevent and mitigate the catastrophic consequences that may unfold while in-service. In this regard, significant efforts are currently being directed towards the definition of risk-based design practices for bridges that are currently reaching the end of their service life. Consistently with these research efforts, this thesis presents a framework for evaluating the current existing methods to assess the residual prestressing force in prestressed concrete bridge decks. This thesis presents deep literature review of the existing testing methods that have been used over the years in prestressed concrete bridges. A multicriteria selection process allowed to identify the three (3) most feasible tests to be deployed in a 60-year-old balanced cantilever box girder bridge: (1) saw-cut method, (2) deflection-based method, and (3) strand cutting. The calibration of a numerical model follows an extensive experimental campaign that was developed to estimate material properties by means of several core extraction and a proof loading test performed with the aim of evaluating the structural response of the bridge under serviceability loading conditions. This model allowed to characterize the main parameters involved in the calculation of the residual prestressing for the three different deployed tests. Hence, a correlation of the results is presented to assess the prestressing losses. Upper and lower bounds of the retrieved experimental results are obtained by analysing influencing factors in the methodologies when comparing them with available predictive models. Finally, the in-situ procedures are described in detail for each method. In particular, a thorough discussion is provided regarding instrumentation, installation, test execution, data analysis, and applicability of the investigated techniques. The ultimate aim of this work is to help researchers to plan future experimental tests, pointing towards variables that are deemed to be of major importance on the evaluation of the loss of the initial prestressing forces.

Le possibili ricadute a livello sociale ed economico relative alla perdita di capacità portante dii sistemi strutturali soggetti a degrado hanno fornito un forte impulso alla comunità scientifica nella continua revisione degli attuali codici e linee guida per il progetto e la gestione di elementi critici nelle reti infrastrutturali critiche. La valutazione dello stato di conservazione di elementi strutturali particolarmente vulnerabili, quali gli impalcati da ponte in calcestruzzo armato precompresso, dovrebbero essere concepite in modo tale da fornire a progettisti e gestori delle metodologie teoricamente coerenti e semplici da mettere in pratica per prevenire le potenziali conseguenze catastrofiche di una perdita di capacità portante in esercizio. In questo contesto, numerosi sono gli sforzi attualmente in atto nella definizione di pratiche progettuali basate su valutazioni di rischio per i ponti esistenti con un’ottica a ciclo di vita. Coerentemente con queste linee di ricerca, questa tesi si focalizza sulle metodologie attualmente esistenti per la valutazione della precompressione residua in impalcati da ponte in calcestruzzo armato. In primo luogo, vengono approfonditi lo stato dell’arte e della pratica relativi alle metodologie sperimentali comunemente utilizzate negli ultimi anni. Un processo di selezione basato su molteplici criteri ha permesso di individuare tre (3) prove da applicare su un viadotto con impalcato a cassone costruito con schema in avanzamento bilanciato e in esercizio da 60 anni: (1) metodo “taglia e cuci”, (2) metodo “deflection-based”, e (3) metodo del taglio dei cavi. Un'ampia campagna sperimentale è stata sviluppata per stimare le proprietà dei materiali mediante estrazione di carote e prove di carico eseguite con l'obiettivo di valutare la risposta strutturale del ponte in esercizio. A seguire, è stato calibrato di un modello numerico che ha permesso di catturare i parametri principali che sono stati coinvolti nel calcolo della precompressione residua per le tre diverse prove. Viene quindi presentata una analisi di correlazione dei risultati in base alla analisi dei fattori che influenzano le metodologie utilizzate che ha permesso di definire i limiti superiore e inferiore dei parametri per la stima delle perdite di precompressione e di confrontarli con i modelli predittivi disponibili in letteratura. Infine, le attività di campo vengono descritte nel dettagli e viene presentata una discussione comparativa per ciascuna metodologia in merito alla strumentazione utilizzata, alle criticità di messa in posa, all’esecuzione delle prove, all’analisi dei dati e alla applicabilità delle tecniche impiegate. L’obiettivo ultimo di questo lavoro è quello di fornire un quadro operativo per la pianificazione di prove sperimentali su strutture da ponte che permettano di valutare in maniera robusta le variabili ritenute di maggiore importanza nella valutazione delle perdite di precompressione.