A comprehensive protocol for inspection and assessment of aging steel bridges: experiments, computations and 3D laser scanning of field corroded girders

Abstract

According to a recent evaluation, USA's nation infrastructure has increasingly presenting signs of deterioration with some elements exhibiting significant deficiencies in conditions and functionality. Regarding the transportation network condition, from the over than 600,000 bridges which are included in the National Bridge Inventory, 46,154 of them are characterized as structurally deficient with the backlog of bridge rehabilitation needs estimated at US$125 billion. Among the many aspects of structural deficiency, corrosion is considered a common cause, both for reinforced concrete and steel bridge deterioration. For steel bridges, corrosion has historically triggered bridge failures resulting to fatalities and injuries. To prevent similar incidents and to ensure public safety, authorities have established provisions dictating the mandatory inspection of bridges for deficiencies identification and maintenance. For girder bridges, supports constitute typical locations of corrosion induced damage due to water and occasionally deicing mixtures presence from the leaking bridge expansion joints. Depending on the severity of thickness loss, the load bearing capacity might be significantly reduced. To address poor residual strength estimations both for rolled un-stiffened as well as plate girders, this dissertation develops tools towards a comprehensive inspection and assessment protocol. For remaining thickness quantification, 3D laser scanning is examined to tackle the shortcoming of conventional data acquisition techniques. The obtained point cloud data are post-processed to provide two-dimensional representations of the remaining section that can be integrated in inspection reports. The derived thickness contour maps can be employed both computationally and analytically for bearing capacity evaluation. Computationally, a methodology is developed to include the derived contour maps in finite element models. Analytically, simplified closed form equations are provided to describe the relation between thickness losses, beam geometry and the remaining bearing capacity. New findings are presented through a multi-step procedure including full scale experimental tests of field corroded girders, finite element modeling and sensitivity analyses to delve into the parameters that significantly affect the capacity of girders with end damage. Finally, analytical tools are developed based on the output of numerous simulated scenarios. The developed procedures are validated both experimentally and computationally providing overall improved estimations compared with the current policies.

Σύμφωνα με πρόσφατη αξιολόγηση, οι υποδομές των ΗΠΑ παρουσιάζουν ολοένα και εντονότερα σημάδια φθοράς, με ορισμένα στοιχεία να εμφανίζουν σημαντικές ελλείψεις στην κατάστασή τους και στη λειτουργικότητά τους. Όσον αφορά την κατάσταση του δικτύου μεταφορών, από τις περισσότερες από 600.000 γέφυρες που περιλαμβάνονται στο National Bridge Inventory, οι 46.154 χαρακτηρίζονται ως δομικά ανεπαρκείς, ενώ το κόστος για την αποκατάστασή τους εκτιμάται στα 125 δισεκατομμύρια δολάρια. Μεταξύ των παραμέτρων που οδηγούν σε δομική ανεπάρκεια, η διάβρωση αποτελεί έναν από τους συνηθέστερους παράγοντες, τόσο για τις κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα όσο και για τις χαλύβδινες γέφυρες. Για τις χαλύβδινες γέφυρες, η διάβρωση έχει ιστορικά οδηγήσει σε αστοχίες γεφυρών, προκαλώντας θανάτους και τραυματισμούς. Για την αποτροπή παρόμοιων περιστατικών και τη διασφάλιση της δημόσιας ασφάλειας, οι αρμόδιες αρχές έχουν θεσπίσει διατάξεις που επιβάλλουν υποχρεωτικές επιθεωρήσεις με στόχο την αναγνώριση ελλείψεων και τη συντήρηση. Στις γέφυρες με δοκούς, τα στηρίγματα αποτελούν συνήθεις θέσεις εμφάνισης διάβρωσης λόγω της παρουσίας νερού – και περιστασιακά αποψυκτικών διαλυμάτων – από διαρροές των αρμών διαστολής. Ανάλογα με τη σοβαρότητα της απώλειας πάχους, η φέρουσα ικανότητα ενδέχεται να μειωθεί σημαντικά. Για την αντιμετώπιση των ανεπαρκών εκτιμήσεων υπολειπόμενης αντοχής τόσο για ελαστοειδείς μη ενισχυμένες όσο και για σύνθετες δοκούς, η παρούσα διατριβή αναπτύσσει εργαλεία που στοχεύουν στη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου πρωτοκόλλου επιθεώρησης και αποτίμησης. Για την ποσοτικοποίηση του υπολειπόμενου πάχους, εξετάζεται η χρήση τρισδιάστατης σάρωσης με ως μέσο αντιμετώπισης των περιορισμών των συμβατικών τεχνικών συλλογής δεδομένων.Τα παραγόμενα νέφη σημείων υφίστανται επεξεργασία ώστε να παραχθούν δισδιάστατες απεικονίσεις των εναπομεινάντων διατομών, κατάλληλες για ενσωμάτωση σε εκθέσεις επιθεώρησης. Οι χαρτογραφήσεις πάχους που προκύπτουν μπορούν να αξιοποιηθούν τόσο υπολογιστικά όσο και αναλυτικά για την εκτίμηση της φέρουσας ικανότητας. Σε υπολογιστικό επίπεδο, αναπτύσσεται μεθοδολογία για την ενσωμάτωση των χαρτών αυτών σε μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων. Σε αναλυτικό επίπεδο, παρέχονται απλοποιημένες κλειστές μορφές εξισώσεων που περιγράφουν τη σχέση μεταξύ απωλειών πάχους, γεωμετρίας της δοκού και υπολειπόμενης φέρουσας ικανότητας. Νέα ευρήματα προκύπτουν μέσω μιας πολυβήματης διαδικασίας που περιλαμβάνει δοκιμές πλήρους κλίμακας σε δοκούς με διάβρωση από το πεδίο, υπολογιστική προσομοίωση με πεπερασμένα στοιχεία και αναλύσεις ευαισθησίας για τη διερεύνηση των παραμέτρων που επηρεάζουν σημαντικά τη φέρουσα ικανότητα δοκών με φθορά στα άκρα. Τέλος, αναπτύσσονται αναλυτικά εργαλεία βασισμένα σε πλήθος προσομοιωμένων σεναρίων. Οι διαδικασίες που αναπτύχθηκαν επικυρώνονται τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά, παρέχοντας συνολικά βελτιωμένες εκτιμήσεις σε σχέση με τις ισχύουσες πρακτικές.