An approach for fatigue assessment of existing steel bridges

Infrastructures are essential for the current and future development of the European transport system. This is demonstrated by the European Union's plans to invest in a sustainable transport system. In the coming years, a large number of infrastructures are estimated to reach the end of their in-service life. Their replacement is economically unviable and unsustainable. Therefore, the matter of maintaining these structures must be addressed. Fatigue is one of the most typical as well as critical forms of damage that can occur in steel bridges, which are subjected to cyclic loads during their service life. Many existing infrastructures in-service since nearly one century were not explicitly designed to account for fatigue damage, and in any case, when fatigue loading was considered in the design process, reference was made to traffic loads and volumes much lower than the present ones. The increased traffic demand in terms of load intensities and occurrences in recent years is a cause for concern. This work aims to assess the structural safety of existing infrastructures against fatigue damage in order to identify potential enhancements and, where possible, extend their in-service life. A fatigue life prediction is conducted at three different levels: (1) Preliminary estimation of load effects and identification of most critical details; (2) Advanced evaluation aided with experimental data; and (3) Optimization of maintenance operations along bridge life cycle with reliability-based models. As a result, the work is divided into distinct 3 Parts. Part I: The current approach to fatigue assessment is mainly based on rules for designing new bridges. Standards provide loading conditions regarding vehicle types, axle loads, and the number of yearly passages to assess fatigue damage based on the nominal stress computation. In part I, the analyses are carried out through dynamic load analysis according to the Standards loading conditions. An integrated local-to-global modelling approach is proposed to derive local stress response in critical details. In order to consider the uncertainties in each stochastic variable, the assessment is carried out with reliability-based models. These methodologies are helpful to a preliminary evaluation in identifying the most critical elements; however, they may lead to conservative results because they are not related to the bridge's actual in-service conditions. Part II: To reduce the uncertainties related to fatigue assessment parameters and to carry out a detailed investigation, experimental data should aid the numerical modelling procedures. The experimental data are utilized to appraise theoretical models through Finite Element Model Updating (MU), with the goal of reducing the discrepancy between predictions and measurements. Moreover, in-service strain and stress measurements give important information about traffic loading conditions in terms of magnitudes and cycles. Proper surrogate models are then defined through the Local Response Function approach. This methodology investigates the stress time histories in specific locations prone to structural damage and, more in general, the stress sensitivity to damage severity in locations where monitoring data are unavailable. Part III: This section focuses on optimizing the life-cycle costs and in-service condition of bridges. Through suitable management and scheduling of maintenance and repairs, it is possible to extend the expected life-cycle of bridges. A methodology is presented here which uses genetic algorithm techniques (GA) to optimize inspections, monitoring, and maintenance schedules for steel bridges susceptible to fatigue damage according to a reliability-based approach. This application further investigates the effectiveness of certain maintenance measures in combination with traffic management solutions to extend the life-cycle of individual bridge details. The GA-optimized solutions allow for both cost reduction and an extension of the nominal life. In developing the applications, a complete parallelism between this study, the already existing Codes (Eurocodes) and the most recent updates related to existing bridge assessment (such as the Italian Guidelines by MIT has been carried out. Drawing from the lessons learned from the examined case studies, this Thesis proposes a pragmatic approach to articulate the already existing and well-established procedures.

Le infrastrutture rivestono un ruolo cruciale nello sviluppo attuale e futuro del sistema dei trasporti europei, come dimostrato dai piani dell'Unione Europea di investire in un sistema di trasporto sostenibile. Nei prossimi anni, si prevede che molte infrastrutture raggiungeranno la fine della loro vita utile, rendendo non percorribile la loro sostituzione da un punto di vista economico e sostenibile. Pertanto, è fondamentale affrontare la questione della manutenzione di queste strutture. La fatica è una delle forme di danno più comuni e critiche che possono verificarsi nei ponti in acciaio, soggetti a carichi ciclici durante la loro vita utile. Molte infrastrutture esistenti, in servizio da quasi un secolo, non sono state progettate tenendo conto del danno da fatica, e in ogni caso, i carichi e i volumi di traffico considerati nella progettazione erano molto inferiori a quelli attuali. L'aumento della domanda di traffico, sia in termini di intensità dei carichi sia di frequenza, rappresenta motivo di preoccupazione. Questo lavoro ha lo scopo di valutare la sicurezza strutturale delle infrastrutture esistenti in relazione ai danni da fatica, al fine di individuare possibili miglioramenti e, ove possibile, prolungare la loro vita utile. La ricerca prevede una previsione della vita a fatica su tre livelli diversi: (1) Stima preliminare degli effetti del carico e identificazione dei dettagli più critici; (2) Valutazione avanzata supportata da dati sperimentali; e (3) Ottimizzazione delle operazioni di manutenzione lungo il ciclo di vita del ponte con modelli basati sull'affidabilità. Il lavoro si articola in tre parti distinte. Parte I: L'approccio attuale per valutare la fatica si basa principalmente su regole applicate nella progettazione di nuovi ponti. Le normative forniscono condizioni di carico relative a veicoli-tipo, carichi per asse e numero di passaggi annuali per valutare il danno da fatica in base al calcolo dello sforzo nominale. Nella Parte I, si effettuano analisi mediante l'analisi del carico dinamico secondo le condizioni di carico delle normative, proponendo un approccio di modellazione integrato locale-globale per derivare la risposta allo sforzo locale nei dettagli critici. Per considerare le incertezze in ogni variabile stocastica, la valutazione viene effettuata con modelli basati sull'affidabilità. Queste metodologie risultano utili per una valutazione preliminare, individuando gli elementi più critici, tuttavia possono portare a risultati conservativi, in quanto non sono legati alle condizioni effettive di servizio del ponte. Parte II: Al fine di ridurre le incertezze relative ai parametri di valutazione della fatica e di effettuare un'indagine dettagliata, i dati sperimentali dovrebbero validare le procedure di modellazione numerica. I dati sperimentali vengono utilizzati per valutare i modelli teorici attraverso l'aggiornamento del modello a elementi finiti (MU), con l'obiettivo di ridurre la discrepanza tra predizioni e misure sperimentali. Inoltre, le misure delle tensioni e delle deformazioni in servizio forniscono informazioni importanti sulle condizioni di carico del traffico in termini di entità e cicli. Vengono quindi definiti modelli surrogati adeguati attraverso il metodo local response function approach. Questa metodologia indaga gli andamenti nel tempo degli sforzi in posizioni specifiche inclini al danno strutturale e, più in generale, la sensibilità degli sforzi al livello di danno nelle posizioni in cui i dati di monitoraggio non sono disponibili. Parte III: Questa sezione si concentra sull'ottimizzazione dei costi del ciclo di vita e delle condizioni di servizio dei ponti. Attraverso una gestione e programmazione adeguata di manutenzione e riparazioni, è possibile estendere la vita attesa del ciclo di vita dei ponti. Viene presentata una metodologia che utilizza tecniche genetic algorithm (GA) per ottimizzare ispezioni, monitoraggio e programmi di manutenzione per ponti in acciaio soggetti a danni da fatica secondo un approccio basato sull'affidabilità. Questa applicazione indaga ulteriormente l'efficacia di alcune misure di manutenzione in combinazione con soluzioni di gestione del traffico per estendere il ciclo di vita dei dettagli del ponte. Le soluzioni ottimizzate con GA consentono sia la riduzione dei costi sia l'estensione della vita nominale. Nello sviluppo delle applicazioni, è stato mantenuto un parallelismo e collegamento tra questo studio, le già esistenti normative (Eurocodici) e gli aggiornamenti più recenti relativi alla valutazione dei ponti esistenti (come le Linee Guida italiane del MIT). Traendo insegnamento dai casi studio esaminati, questa tesi propone un approccio pragmatico per articolare le procedure già esistenti e consolidate.