Fatigue load model development using bridge weigh in motion data of a simply support bridge in Southern Finland

Thumbnail Image

Files

master_Kukkohovi_Jacob_2025.pdf (4.11 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-30

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Building Technology

Language

en

Pages

75

Series

Abstract

This thesis briefly introduces B-WIM-system and methods behind fatigue load models, and studies road bridge fatigue caused by Finnish traffic. Fatigue phenomenon has a significant effect on road bridges where cyclic stress loads caused by heavy vehicles accumulate damage to the structure. For steel bridges, fatigue is the most common cause of structural failure as increasing traffic loads and volumes pose challenges to bridge design and fatigue assessment of existing bridges. In bridge designing, fatigue determines needed material strengths, amount of reinforcement and the need for maintenance. When the fatigue life of bridges can be determined more precisely, it can reduce costs and environmental impact. The Eurocodes define five Fatigue Load Models (FLM) for estimating the fatigue life of bridges. These FLMs are considered to give inaccurate results for Finnish traffic as the traffic in Finland differs considerably from the average Central European traffic, on the basis of which FLMs are designed. This creates the need for a new fatigue vehicle which would be representative for Finnish traffic. Alongside these determined fatigue load models, fatigue life can be estimated using real-life traffic measurements. Accurate traffic measurements can be measured by utilizing Weigh-In-Motion (WIM) systems where Bridge-WIM (B-WIM) is a really suitable system for traffic analysis. B-WIM system uses strain gauges which measures strain responses on bridge structure. Using bridge strain measurements, vehicle gross weights, individual axle weights, amount and spacings of axles can be determined using suitable algorithms. This study aims to propose a new fatigue vehicle which could be used to accurately determine the fatigue damage caused by traffic in Southern Finland without measured accurate traffic data. This new proposed fatigue vehicle is compared to the current fatigue load models for various span bridges. The 7-axle fatigue vehicle gave accurate results for simply supported bridge spans ranging from 5 to 65 meters for traffic data used in this study. In addition, the study found that most of the damage is caused by heaviest vehicles and current weight restrictions seem to be working as a knee-point after which damage increases significantly.

Tässä työssä käsitellään B-WIM-systeemiä, tapoja uusien väsymismallien kehittämiseen ja tutkitaan liikenteen aiheuttamia vaurioita maantiesiltoihin Etelä-Suomessa. Väsymisilmiöllä on merkittävä vaikutus maantiesiltoihin, joille raskaan liikenteen aiheuttamat stressisyklit aiheuttavat kertyvää vauriota. Erityisesti terässilloille väsymisilmiö aiheuttaa kasvavan liikenteen seurauksena merkittävän haasteen siltojen suunnittelussa ja väsymisen arvioinnissa. Väsymisilmiö määrittelee tarvittavat materiaalien vahvuudet, jäykistykset ja säännöllisen huoltotarpeen. Aiheutuvia kuluja ja ympäristövaikutuksia voidaan vähentää väsymisen tarkalla määrittämisellä. Eurokoodissa on määritelty viisi erilaista väsymiskuormituskaaviota, joilla voidaan arvioida siltojen väsymisikää. Eurokoodissa määriteltyjä väsymis-kuormituskaavioita pidetään usein epätarkkoina liikenteelle Suomessa, sillä ne ovat suunniteltu keskieurooppalaiselle liikenteelle. Tämän vuoksi on tarpeen kehittää uusi ajoneuvo, jonka avulla suomalaisen liikenteen aiheuttamia väsymisvaurioita voitaisiin arvioida tarkemmin. Väsymisikä voidaan laskea väsymiskuormakaavioiden ohella myös käyttäen oikeaa liikennedataa, joka voidaan mitata käyttäen WIM-systeemiä. WIM-systeemeistä erityisesti silloille on kehitetty B-WIM, joka mittaa sillassa aiheutuvia rasituksia sensoreiden avulla. Näiden mittaustulosten avulla voidaan määrittää ajoneuvojen painot, tiettyjen akseleiden painot, akseleiden määrä sekä akselivälit käyttäen sopivia algoritmeja. Tässä työssä ehdotetaan uutta väsymisvauriomallia, jonka avulla voitaisiin määritellä eteläisen Suomen liikenteen aiheuttamat väsymisvauriot ilman liikennedatan mittaamista. Uutta väsymisvauriomallia vertaillaan nykyisiin väsymisvauriomalleihin vaihtelevan jännevälin sillalle. Seitsemän akselista väsymisvauriomallia ehdotettiin käytettäväksi, koska sillä saatiin tarkkoja väsymisvaurion arvoja yksinkertaisesti tuetun sillan jänneväleille (5–65 metriä) tässä tutkimuksessa käytettyyn liikennedataan verrattuna. Tutkimuksessa havaittiin myös, kuinka raskaimmat ajoneuvot aiheuttamat suurimmat vauriot ja nykyistä painorajaa painavammat ajoneuvot aiheuttavat merkittävästi suuremman vaurioasteen.

Description

Supervisor

Lin, Weiwei

Thesis advisor

Hao, Rui

Keywords

B-WIM, fatigue, bridge, FLM3, FLM4, eurocodes, fatigue evaluation

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501221621

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG