New methodologies for the representation and assessment of the structural condition of historical bridges

Abstract

Bridges have always been one of the most important assets in transportation infrastructure. Their main function is to allow the passage of goods and people over rugged terrain, thus having a significant social and economic value. Many of the bridges currently in use were built at the beginning of the last century, so they have exceeded their service life and exhibits significant damage due to their degradation over the years. In addition, the traffic volume and the vehicle loads have been constantly increasing since then. All these nuances lead to the current situation, where there is a steady increase in the number of structural failures of historical bridges. The hypothetical collapse of one of these bridges would entail significant costs in terms of heritage, economics, environment, and even human life. To prevent their collapse, it would be necessary to invest in regular inspections, and maintenance and refurbishment works to mitigate the damage they present. However, due to the large number of historical bridges currently in use, carrying out such works would require a significant investment of time and resources. The main objective of this thesis is to investigate the implementation of several modelling and numerical calculus techniques for the development of new structural assessment methodologies. Therefore, by creating synergies between these techniques, it will be possible to generate databases that accurately characterize the current state of historical bridges, as well as calculate their actual load carrying capacity. Throughout this thesis, two different methodologies will be developed. The first one, based on the conjunction of HBIM technology and numerical calibration, allows for the generation of calibrated architectural and structural models at different bridge control phases. Each of these phases corresponds to a moment in the service life of the bridge when experimental information was collected. This methodology enables both, the generation of a database that compiles all changes in the structure, and the calculation and observation of the mechanical behavior of the bridge over the control phases. The second developed methodology links all the steps corresponding to structural evaluations to increase the robustness of the reliability analysis of historical bridges. On the one hand, to increase the accuracy of the obtained results, a thorough treatment of experimental and bibliographical data is performed to maintain a flow of updated information between the steps of the methodology. On the other hand, sensitivity analysis and surrogate modeling are implemented to reduce the computational requirements related to the model updating and structural analysis steps.

Los puentes han sido siempre uno de los elementos más importantes en las infraestructuras de transporte. Su principal función es permitir el paso de bienes y personas en terreno accidentado, por lo que cuentan con un elevado valor social y económico. Muchos de los puentes en uso actualmente se construyeron a principios del siglo pasado, por lo que ya han superado su vida útil y presentan daños importantes debido a su degradación a lo largo de los años. A mayores, tanto el volumen de tráfico como las cargas asociadas a los vehículos no han dejado de aumentar desde la construcción de estos puentes. Todo esto desemboca en la situación actual, en la que se puede observar un constante aumento en el número de fallos estructurales en puentes históricos. El hipotético colapso de uno de estos puentes acarrearía grandes costes patrimoniales, económicos, medioambientales e incluso de vidas humas. Para prevenir su colapso, sería necesario invertir en inspecciones periódicas, así como en acciones de mantenimiento y reforma para mitigar los daños que presentan. Sin embargo, debido al gran número de puentes históricos que se encuentran actualmente en uso, llevar a cabo dichas acciones requeriría de una gran inversión en tiempo y recursos. El objetivo principal de esta tesis es investigar la aplicación de diversas técnicas de modelización y cálculo numérico para el desarrollo de nuevas metodologías de evaluación estructural. De este modo, mediante la creación de sinergias entre dichas técnicas, será posible generar bases de datos que caractericen con precisión el estado actual de puentes históricos, así como calcular su capacidad de carga real. A lo largo de esta tesis se desarrollarán dos metodologías diferentes. La primera de ellas, basada en la conjunción de la tecnología HBIM y la calibración numérica, permite generar modelos arquitectónicos y estructurales calibrados en distintas fases de control del puente. Cada una de estas fases se corresponde con un momento de la vida útil del puente en el que se han tomado datos experimentales. Esta metodología permite tanto la generación de bases de datos que recopilen todos los cambios en la estructura, como calcular y observar la evolución del comportamiento mecánico del puente a lo largo de las fases de control. La segunda metodología desarrollada enlaza todas las fases correspondientes a las evaluaciones estructurales para aumentar la robustez de los análisis de fiabilidad de puentes históricos. Por un lado, para aumentar la precisión de los resultados obtenidos, se realiza un tratamiento exhaustivo de los datos experimentales y bibliográficos con el fin de mantener un flujo de información actualizada entre las fases de la metodología. Por otro lado, en la metodología se implementan análisis de sensibilidad y modelización subrogada para disminuir los requisitos computacionales asociados a la calibración numérica y los análisis estructurales.

As pontes sempre foron un dos elementos máis importantes nas infraestruturas de transporte. A súa principal función é permitir o paso de bens e persoas en terreo accidentado, polo que contan con un gran valor social e económico. Moitas das pontes en uso actualmente construíronse a principios do século pasado, polo que xa superaron a súa vida útil e presentan danos importantes debido á súa degradación ao longo dos anos. A maiores, tanto o volume de tráfico como as cargas asociadas aos vehículos non deixaron de aumentar dende a construción de estas pontes. Todo isto desemboca na situación actual, na cal se pode observar un constante aumento no número de erros estruturais en pontes históricas. O hipotético colapso dunha destas pontes suporía grandes custos patrimoniais, económicos, medioambientais e incluso de vidas humanas. Para previr o seu colapso, sería necesario investir en inspeccións periódicas, así como en accións de mantemento e reforma para mitigar os danos que presentan. Porén, debido ao gran número de pontes históricas que se atopan actualmente en uso, levar a cabo ditas accións requiriría dun gran investimento en tempo e recursos. O obxectivo principal desta tese é investigar a aplicación de diversas técnicas de modelización e cálculo numérico para o desenvolvemento de novas metodoloxías de avaliación estrutural. Deste modo, mediante a creación de sinerxías entre ditas técnicas, será posible xerar bases de datos que caractericen con precisión o estado actual de pontes históricas, así como calcular a súa capacidade de carga real. Ao longo desta tese desenvolveranse dúas metodoloxías diferentes. A primeira delas, baseada na conxunción da tecnoloxía HBIM e a calibración numérica, permite xerar modelos arquitectónicos e estruturais calibrados en distintas fases de control da ponte. Cada unha destas fases correspóndese con un momento da vida útil da ponte no cal se tomaron datos experimentais. Esta metodoloxía permite tanto a xeración de bases de datos que recompilen todos os cambios na estrutura, como calcular e observar a evolución do comportamento mecánico da ponte ao longo das fases de control. A segunda metodoloxía desenvolvida enlaza todas as fases correspondentes ás avaliacións estruturais para aumentar a robustez das análises de fiabilidade de pontes históricas. Por un lado, para aumentar a precisión dos resultados obtidos, lévase a cabo un tratamento exhaustivo dos datos experimentais e bibliográficos co fin de manter un fluxo de información actualizada entre as fases da metodoloxía. Por outro lado, na metodoloxía impleméntanse análises de sensibilidade e modelización subrogada para diminuír os requisitos computacionais asociados á calibración numérica e ás análises estruturais.