Assessment of existing concrete bridges : bending stiffness as a performance indicator

Optimizing the use of existing civil reinforced concrete (RC) structures could be interpreted in such a way as to say that the capacity should be used and taken care of in an effective manner, both from a technical and economical point of view, keeping the safety in mind. Achieving this requires thorough understanding of the structure and also of the tools used for assessing current and future capacity and needs. Monitoring together with finite element modelling could give relevant and important information about a structure's capacity. In a case where monitoring alone is used, it is beneficial if a quantity is monitored which is interpretable on material and geometrical level. It is further important that the measure is practically possible to capture, and that it reflects the behaviour in a theoretically well-known mode. One example of a quantity which fulfils these requirements is the bending stiffness. In the Serviceability Limit State (SLS), in particular, a high bending stiffness is beneficial as this reduces deflections, vibration amplitudes and crack widths.It is shown within the thesis that four phases are distinguished during loading of an RC member; Un-cracked phase (I), Crack forming phase (II), Crack stabilised phase (III) and Failure phase (IV). It is also shown that corrosion and flexural strengthening are possible to capture through the bending stiffness by monitoring the curvature. Linear elastic theory has in addition been concluded to give satisfactory results in terms of good agreement between measured and theoretical results. It is shown that it is possible to determine the highest load which the structure has been previously exposed to, presuming that the structural element has not reached phase (III). The stiffness is almost constant in phase (III) which implies that it is the same for a certain load interval. One limitation coupled to the stiffness plateau formed in phase (III) is that it is difficult to predict a possible failure by monitoring the bending stiffness, caused by the limited forewarning prior to the beginning of phase (IV). Other tools, such as reliability-based assessment, become especially important here since active degradation, for example, is difficul to verify by curvature measurements in phase (III). Estimating the safety, and also finding the probable failure mode is important since curvature measurement is not effective in the Ultimate Limit States (ULS) and only captures the behaviour in bending. In the reliability-based assessment, the agreement between analytical results and actual capacity of the particular failure mode must be treated with special attention, since it has been shown that the model uncertainty can affect both the safety level and also probable failure mode. If it can be shown from monitoring that the structure is located within phase (I) the load effect during the past time has not affected the integrity of the structure in terms of bending cracks.It is preferrable to use the global curvature when evaluating the bending stiffness, since this property gives a more robust average curvature and also additional information about the structural member. Especially changing bond properties, during e.g. corrosion, is more likely to be detected if the global curvature is monitored. Another important conclusion is that the local and global stiffness development is very similar. This implies that a crack at a certain location is not allowed to increase without redistribution of stresses, which affects the global stiffness in an comparable extent. Two criteria are suggested for the least distance over which the global curvature should be measured, LG. The first one concerns the fact that at least four macro cracks is suggested to be covered and is based on the maximum crack spacing recommended by Eurocode (2004). The other requirement is that the distance should not be that small that the estimated deflection become less than one hundred times the in-built measurement error in the displacement gauge. A measurement error above one percent is hence not allowed.Curvature assessment could be useful from three different aspects * Condition assessment. The monitored quantity is back-calculated to input data, such as material property or geometry. That is, solving the inverse bridge management problem. Decisions about the use of the structure are then based on the outcome of this assessment.* Refined calculations in serviceability and ultimate limit states. Use the results to refine the models used for SLS and ULS performance. For example, it might be possible to treat the structure in its actual condition. * Optimized LCC. Time until a major repair and/or strengthening procedure is estimated using the bending stiffness development captured by curvature measurement.The approach using bending stiffness as a performance indicator is applied in two case studies in Sweden, the Panken road bridge located east of Karlstad and the railway bridge located in Örnsköldsvik. The Panken Bridge was located within phase (III) (crack stabilised phase), while the Örnsköldsviks Bridge was located within phase (I) (un-cracked phase). It is shown in these case studies that monitoring of the bending stiffness through curvature measurements can give valuable information regarding how the structure is affected by loads and/or degradation. One challenge when evaluating the bending stiffness from curvature measurements is that time dependent mechanisms, e.g. creep, could affect the curvature but not necessarily the bending stiffness. Time dependent mechanisms will thus give rise to what is here defined as a "fictitious stiffness change". Any movement or deformation which produces a fictitious stiffness change must be given extra attention to avoid misleading results. Another challenge is that monitoring is commonly performed for additional loading, which means that the curvature caused by the dead weight of the structure itself is in most cases not captured. Further research is suggested to address the effects of these phenomena for curvature assessment applications.Befintliga anläggningskonstruktioner kan i vissa fall utnyttjas bättre ur bärighets- och säkerhetssynpunkt ifall verkliga förutsättningar kan fastställas. Detta kräver en grundlig förståelse av själva konstruktionen och de verktyg som används för att fastställa nuvarande tillståndet och för att kunna förutsäga den framtida. De verkliga förutsättningarna kan bestämmas genom att konstruktionens verkningssätt registreras genom mätning, alternativt i kombination med till exempel numerisk modellering. I fall där mätning alena används för att dra slutsatser om konstruktioner är det fördelaktigt om den mätta storheten är baserad på geometriska mått och materialegenskaper. Vidare är det förståss viktigt att kvantiteten är möjlig att fånga utifrån praktisk mätsynpunkt. En sådan kvantitet som uppfyller dessa krav är böjstyvheten. Böjstyvheten är dessutom ett viktigt mått, speciellt i brukgränstillståndet där deformationer, vibrationer och sprickvidd är av stor betydelse. I avhandlingen är det påvisat att under pålastning av ett armerat betongelement utsatt för böjning kan fyra stadier särskiljas; osprucket (I), sprickbildning (II), stabiliserade sprickor (III) och brott (IV). Vidare kan effekterna av uppsprickning, korrosion och förstärkning i böjning registreras genom att utvärdera böjstyvheten från krökningsmätning. Analytiska modeller baserade på linjär elastisk respons av materialen samt under antagande om att plana tvärsnitt förblir plana har visat sig ge tillfredsställande resulat vid jämförelse med uppmätt styvhet. Vidare är det visat att det är möjligt att verifiera den högsta last som det krökta och armerade betongelementet historiskt varit utsatt för, förutsatt att elementet inte kommit in i stadie (III). Väl inne i stadie (III) utvecklas styvheten i princip konstant ända till stadie (IV), vilket resulterar i att styvheten är densamma över ett visst lastintervall. En begränsning kopplat till styvhetsplatån i stadie (III) är att det är svårt att utskilja när brott är nära, beroende på att styvheten påverkas relativt lite i relation till lasten. Fortsatta undersökningar baseras på spruckna förhållanden samt verkliga materialegenskaper och geometrier. Andra verktyg, såsom sannolikhetsbaserad utvärdering, blir här synnerligen viktig eftersom det i stadie (III) inte går att se några tydliga tecken på till exempel fortgående nedbrytning. Utifrån en sådan analys uppskattas säkerheten mot brott och även trolig brottmod. Skulle en annan brottmod vara mer trolig än böjbrott måste detta tas med i utvärderingen speciellt med åtanke på att krökningsmätning endast fångar beteendet i böjning. Det har visats att modellosäkerhet är viktigt att ta hänsyn till vid en sannolikhetsbaserad utvärdering på grund av att både säkerheten samt trolig brottmod påverkas. Om det kan bevisas genom mätning att konstruktionen befinner sig i stadie (I) går det att dra slutsatsen att den inte påverkats av de påförda lasterna under den gångna tiden. Det är föreslaget att global krökning används istället för lokal vid bestämning av böjstyvheten. Detta förklaras med att den globala krökningen ger ett mer stabilt medelvärde samt att det går att dra mer slutsatser ifrån denna. En annan viktig slutsats är att den globala och lokala styvheten utvecklas precis på samma sätt under pålastning. Detta innebär att en specifik spricka inte tillåts växa till utan att en omdistribuering av spänningar sker, vilket då påverkar det globala beteendet i jämförbar utsträckning. Två kriterier är föreslagna för den kortaste sträcka som inte bör understigas vid mätning av global krökning, LG. Det första kravet beaktar att minst fyra makrosprickor ska omfattas. Detta avstånd uppskattas genom att beräkna det maximala sprickavståndet givet i Eurocode (2004). Det andra kravet beaktar att det inbyggda mätfelet i lägesgivaren inte ska överstiga 1% av den förväntade uppmätta utböjningen. Krökningsmätning kan vara användbart ur tre olika aspekterTillståndsbedömning. Lösa det inversa broförvaltningsproblemet. Detta görs i praktiken genom att en prestandaförändring förklaras antingen genom att geometri och/eller materialegenskaper är påverkade. Beslut angående konstruktionen kan sedan göras utifrån den här utvärderingen. Förfinade beräkningar. Använda resultaten till att förfina modellerna använda för brukgräns- och brottgränstillstånd. Konstruktionen beaktas till exempel i sitt verkliga tillstånd. Förfinad LCC. Tiden fram till dess en större reparations- och/eller förstärkningsinsats uppskattas genom att studera böjstyvhetens utveckling i tiden. Ansatsen om att utvärdera böjstyvheten genom krökningsmätning är tillämpad i två fall, vägbron Panken öster om Karlstad och en järnvägsbro i Örnsköldsvik. Krökningsmätningen visar att Pankenbron befinner sig i stadie (III), medan Örnsköldsviksbron är i stadie (I). Det är således påvisat att bestämma böjstyvheten genom krökningsmätning är värdefullt och kan ge ytterligare information om en befintlig betongbros skick. En utmatning när styvheten är bestämd utifrån krökningsmätning är att tidsberoende mekanismer, till exempel krypning, och även temperaturförändringar påverkar krökningen utan att nödvändigtvis påverka böjstyvheten i sig. Effekterna av dessa ger upphov till en skenbar styvhetsförändring. De rörelser eller deformationer som ger upphov till en skenbar styvhetsförändring behöver tas i beaktande för att utesluta missvisande resultat. En annan svårighet är att mätning normalt utförs vid tilläggslast, vilket innebär att krökningen skapad från egenvikten inte fångas. Vidare forskning föreslås för att utvärdera effekterna av dessa fenomen i krökningsmätningstillämpningar.Godkänd; 2009; 20090203 (marber); Disputation, Markus Bergström, Konstruktionsteknik Markus Bergström försvarar sin avhandling "Assessment of Existing Concrete Bridges - Bending Stiffness as a Performance Indicator" fredag 6 mars, kl. 10.00 i F1031. Opponent: Professor Paulo J de S Cruz, University of Minho, Portugal Ordförande: Professor Björn Täljsten, Avd. för byggkonstruktion, Inst för samhällsbyggna