Safety formats for the assessment of concrete bridges : with special focus on precast concrete

Abstract

Em Portugal e noutros países, existe um número significativo de pontes em serviço que se encontram sujeitas a cargas muito superiores aquelas para as quais foram dimensionadas. Por outro lado, o investimento reduzido na conservação das pontes faz com que muitas dessas estruturas se deteriorem significativamente durante a sua vida útil e que a capacidade de carga esteja drasticamente reduzida. Para evitar um decréscimo acentuado do desempenho estrutural ou mesmo o colapso de algumas dessas pontes, é de crucial importância avaliar se ainda verificam os níveis de segurança adequados para esse maior nível de carregamento. Estas preocupações podem, em muitos casos, ser analisadas usando métodos tradicionais de avaliação da segurança. Porém, os procedimentos de avaliação da segurança existentes são, normalmente, baseados nos regulamentos para o dimensionamento de pontes novas e que podem não ser adequados para a avaliação de pontes existentes. Nesta tese é abordado um vasto conjunto de aspectos relacionados com avaliação de segurança de pontes existentes de betão. Inicialmente, são apresentados e discutidos os procedimentos e as metodologias actualmente recomendadas para a avaliação das pontes existentes. De todos estes procedimentos, o mais adequado para as condições portuguesas preconiza a utilização de vários métodos de avaliação de segurança, começando pelo mais simples - avaliação semi-probabilística, baseada nos actuais regulamentos para dimensionamento - e termina com a avaliação totalmente probabilística, baseada na teoria de fiabilidade estrutural. Após a secção geral introdutória, são apresentados os vários modelo probabilísticos para o estudo das incertezas associadas à geometria de elementos estruturais e de propriedades mecânicas de materiais, usados em pontes de betão. Apresenta-se também alguns modelos desenvolvidos no âmbito do programa desta tese. Estes modelos pretendem ser representativos da população de pontes de betão existentes em Portugal. Posteriormente, é analisado o problema das acções em pontes, propondo-se vários modelos probabilísticos para as acções permanentes e dando-se especial ênfase à modelação das acções variáveis devidas ao tráfego. Como alternativa aos modelos regulamentares correntemente utilizados, e que nem sempre conduzem a resultados consistentes, são apresentados dois modelos probabilísticos simplificados. De seguida, são analisados alguns modelos probabilísticos de resistência à fiexão e ao corte de elementos de betão e alguns mode¬los novos, desenvolvidos dentro do programa desta tese, que podem ser considerados representativos das pontes pré-fabricadas em betão existentes em Portugal. Descrevem-se ainda os níveis de segurança associados aos diferentes níveis de desempenho estrutural e os formatos de segurança aplicáveis. Alguns dos formatos, semi-probabilísticos e probabilísticos, podem ter em conta a redundância e o tipo de sistema estrutural, podendo resultar num aumento significativo da avaliação da capacidade duma ponte em relação àquela que se obteria se a avaliação fosse efectuada individualmente a cada elemento estrutural. Todos os formatos de segurança apresentados foram validados e comparados entre si, nomeadamente na avaliação de segurança duma ponte ferroviária. Finalmente, o procedimento escolhido para a avaliação de segurança, os modelos da resistência desenvolvidos, os modelos das acções apre¬sentados e alguns formatos de segurança discutidos, foram aplicados na avaliação de segurança de duas pontes rodoviárias pré-fabricadas em betão pré-esforçado. Esses exemplos tornaram evidente como pontes consideradas inseguras pelos procedimentos tradicionais po¬dem vir a ser consideradas seguras, recorrendo, para o efeito, aos modelos e metodologias mais avançadas, desenvolvidas e apresentadas nesta tese.

Many bridges in Portugal and in other countries that are still in service are subjected to loads far higher than those for which they were designed. AIso, due to insufficient investment in the bridge maintenance, many of existing bridges have significantly deteriorated over their years of service and thus their actual capacity has drastically reduced. Aiming to avoid unexpected bridge failures, it is of vital importance to verify that existing bridges can still provide adequate levels of safety under increased loads. These concerns can in many cases be addressed by using traditional bridge load capacity evaluation methods. However, existing load evaluation procedures are usually adopted from the design codes, which are meant for new bridges, and may not be adequate for the assessment of existing bridges. This thesis deals with different topics related to the load capacity evaluation of existing concrete bridges. At the beginning the currently recommended procedures and methodologies for the assessment of ex¬isting bridges are presented and discussed. One of the presented procedures is selected as the most adequate for the Portuguese conditions. The procedure systematize the use of several assessment approaches, starting with the simplest semi-probabilistic approach, based on the current design code, and finishing with fully probabilistic assessment, based on the reliability theory. Following the general introductory section, several probabilistic modeIs of bridge geometry and mechanical properties of materiaIs, used in the construction of concrete bridges, are shown. AIso, some new models, developed within the program of this thesis, are presented. These models aim to be representative for the stock of existing con¬crete bridges in Portugal. Subsequently, the problem of bridge loading is discussed. Several probabilistic models of bridge permanent loads are shown. However, the major focus is placed on bridge traffic loads. Two simplified probabilistic traffic load models are presented as an alternative to the commonly used models from codes that were found to give inconsistent results. Afterwards, several probabilistic models of bending and shear resistance of concrete bridge elements are shown and discussed. Also, some new models developed within the program of this thesis are presented. The developed models can be considered representative for stock of precast concrete bridges in Portugal. After the load and the resistance models, the safety requirements and safety formats applicable to bridge assessment are presented. Some of the presented semi-probabilistic and probabilistic formats are able to account for a bridge redundancy and the system effects that may significantly increase the evaluation of a bridge capacity. AlI the pre¬sented safety formats are then practicalIy verified and compared by applying them to the assessment of reinforced concrete railway bridge. FinalIy, the selected assessment procedure, the proposed resistance models, the presented models of traffic loads and some of the dis¬cussed safety formats are applied to the assessment of two precast prestressed concrete highway bridges. These examples show that the bridges which fail evaluation using traditional procedures may by rated as safe when using more advanced models and approaches developed and presented in this thesis.