Standardised Bridge Weigh-in-Motion data and its applications in bridge engineering

Abstract

As the fatigue load models in the Eurocode were developed based on the central European traffic, in some cases fatigue damage obtained with them may differ greatly from damage calculated with actual Finnish traffic loads. Applying actual traffic data in fatigue analysis can provide more accurate results compared to the ones obtained according to the Eurocode traffic models.

Weigh-in-Motion (WIM) measurements are an excellent tool to produce such traffic data. Among the different WIM methods, Bridge Weigh-in-Motion (B-WIM) is one of the most suitable ones for bridge engineering as it offers an efficient way to measure the traffic flow and it can also offer structural information of the measured bridge. This enables multiple different applications for B-WIM data in the field of bridge engineering. Using B-WIM data as part of the bridge designing process has large potential, but the lack of standardised data format hinders broader utilisation of it. This study proposes a new standardised format to present the measured B-WIM data so that in the future, programs can directly utilise any available B-WIM data. This makes calculations with multiple different traffic compositions and traffic types easy and enables the basis for further utilisation of B-WIM data in bridge designing.

In addition, a fatigue case study is conducted for an orthotropic bridge deck by utilising the Finnish B-WIM data. In the study, multiple different B-WIM measurements with varying traffic compositions are used to calculate the fatigue damage, and obtained results are compared with the damage calculated according to Eurocode fatigue load model 4 (FML 4). To calculate fatigue damage with B-WIM data, a new fatigue calculation software is developed with Python programming language. Additionally, the effects of new traffic regulations set in 2013 are studied by utilising B-WIM data, what are measured after these new regulations, in the fatigue calculation software.

Eurokoodin mukaiset siltojen väsytyskuormakaaviot on pääosin kalibroitu keskieurooppalaisen liikenteen mukaisesti. Nämä liikennemallit eroavat huomattavasti tyypillisestä suomalaisesta liikenteestä, minkä vuoksi Eurokoodin mukaisella liikenteellä ja todellisella liikenteellä lasketut väsymisvauriot saattavat erota huomattavasti toisistaan. Mitattujen liikennetietojen avulla onkin mahdollista saada tarkempia arvioita todellisista väsytysvaurioista siltarakenteissa.

Weigh-in-Motion (WIM) mittaukset ovat hyvä keino tutkia todellista liikennettä tieosuudella ja kerätä siitä tietoa. WIM-mittausmenetelmiä on monenlaisia, joista silta-WIM (B-WIM) on siltasuunnittelun kannalta yksi parhaiten soveltuva menetelmä. Sen lisäksi, että B-WIM-mittauksilla voidaan tuottaa dataa todellisesta liikenteestä sillalla, pystytään sillä myös mittaamaan siltarakenteen ominaisuuksia ja käyttäytymistä. B-WIM mittauksille onkin olemassa monia hyödyllisiä sovellutuksia ja analysointitekniikoita, jotka voisivat olla tehokkaita ja käytännöllisiä työkaluja siltasuunnittelussa. Datan hyödyntämistä kuitenkin rajoittaa se, ettei sillä ole laajassa käytössä olevaa standardia, joka määrittäisi B-WIM-datan esitysmuotoilua. Tämä vaikeuttaa datan lataamista erinäisiin analysointiohjelmiin ja tekee datan hyödyntämisestä työlästä.

Tämän työn päämääränä on ehdottaa uutta esitysmuotoa B-WIM-datalle, jotta tulevaisuudessa B-WIM-datan hyödyntäminen erilaissa ohjelmistoissa olisi helppoa ja vaivatonta. Tämä mahdollistaisi monien eri mittauspisteiden yhtäaikaisen ja nopean analysoinnin, jonka avulla olisi esimerkiksi helppo vertailla eri tieosuuksien liikennevirtoja ja niistä aiheutuvia seuraamuksia siltarakenteissa.

Lisäksi työssä suoritetaan väsymisanalyysi ortotrooppi kantiselle avattavalle sillalle, hyödyntäen suomalaista B-WIM-dataa. Datalla laskemista varten kehitetään väsymislaskentaohjelma Python-ohjelmointikielellä. Analyysissä vertaillaan B-WIM-datalla saatuja vaurioarvoja Eurokoodin väsymiskuormakaavio 4:n (FLM4) kanssa. Tämän lisäksi tutkitaan vuonna 2013 voimaan tulleen ajoneuvolainsäädännön vaikeuksia hyödyntämällä uudistuksen jälkeen mitattua B-WIM dataa sekä työssä kehitettävää väsymislaskentaohjelmaa.