Fatigue assessment of a bridge expansion joint utilizing traffic data
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
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.
Author
Date
2022-10-10
Department
Major/Subject
Structural Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
en
Pages
116 + 29
Series
Abstract
Bridges and their expansion joints (EJs) especially are subject to the most severe loading because of the dynamic impacts of the vehicles and hence are susceptible to fatigue damage. In recent years, there have been a lot of problems with bridge EJs in Finland. The devices are damaged under traffic before their design life was reached, and fatigue is considered one of the major causes. As the Fatigue Load Models (FLMs) in the standard EN 1991-2 were developed using Central European traffic, they might not be applicable in Finland. Therefore, a comparison of fatigue damage on an EJ caused by actual Finnish traffic loads and the FLM4 was conducted. The study investigated could a design of an EJ be implemented using site-specific traffic data and should there be more demanding design restrictions on roads with high traffic volumes. To accomplish the study, a fatigue assessment tool was created using the Python programming language. Site-specific traffic data from a bridge WIM overview report conducted by the Finnish Transport Agency was utilized in the tool. These measurements were taken between 2013 and 2018 hence the effect of the traffic regulations imposed in 2013, which allowed an increase in the gross vehicle weight from 60 to 76 tons, on the fatigue damage of an EJ was studied. The fatigue assessment tool was utilized to compare the fatigue damage of different measurement site traffic compositions on an EJ. As a result, a key figure for the traffic was obtained, which allows a more specific design and selection of EJs. The same traffic measurements were utilized to compare the fatigue damage caused by FLM4 and 5 on an EJ. It was concluded that on roads that experience high traffic flows, but low average axle weights, the FLM4 seems to overestimate the fatigue damage significantly, whereas on roads that have low traffic flows, but high average axle weights the overestimation is not that significant. It was proposed that the FLM5 should be used for fatigue verifications of an EJ instead of FLM4. Also, the detail connection of a modular bridge joint system was analysed against fatigue us- ing varying span lengths of a center beam. Based on the results from this study, the span length of a center beam should be kept under 1,2 m to avoid excess fatigue damage to the connection.Sillat ja etenkin niiden liikuntasaumalaitteet (LSL) altistuvat ankaralle kuormituk- selle ajoneuvojen dynaamisten iskujen vuoksi ja ovat siten alttiita väsymisvauri- oille. Viime vuosina Suomessa on ollut paljon ongelmia siltojen LSL:n kanssa. Lait- teet ovat vaurioituneet ennen suunniteltua käyttöikää ja väsymistä pidetään yhtenä suurimmista syistä. Koska standardin EN 1991-2 mukaiset väsytyskuormakaaviot (FLM) on kehitetty Keski-Euroopan liikenteelle, ne eivät välttämättä sovellu käy- tettäväksi Suomessa. Tästä syystä suoritettiin todellisen liikenteen ja FLM 4:n ai- heuttamien väsymisvaurioiden vertailu LSL:lle. Tutkimuksessa selvitettiin, voitaisiinko LSL:n suunnittelu tehdä paikkakohtaisilla liikennetiedoilla ja tulisiko paljon liikennöidyille teille asettaa tiukempia suunnit- telurajoituksia. Tutkimuksen toteuttamiseksi luotiin Python-ohjelmointikieltä käyttävä väsymisarviointityökalu. Työkalussa hyödynnettiin Liikenneviraston WIM-siltaraportista saatuja yksityiskohtaisia liikennetietoja. Nämä liikennetiedot ovat kerätty vuosina 2013-2018, joten vuonna 2013 käyttöön otettujen liikenne- määräysten, jotka sallivat ajoneuvon kokonaismassan nostamisen 60 tonnista 76 tonniin, vaikutusta LSL:n väsymisvaurioihin tutkittiin. Väsymysarviointityökalua käytettiin vertaamaan eri mittauspisteiden liikenteen väsyttävyyttä LSL:lle. Tuloksena saatiin liikenteelle tunnusluku, joka mahdollistaa tarkemman laitteen suunnittelun ja valinnan. Samoja liikennemittauksia käytettiin vertaamaan FLM 4:n ja 5:n aiheuttamia väsymisvaurioita LSL:ssa. Todettiin, että teillä, joilla on paljon liikennettä, mutta pieni keskimääräinen ajoneuvon akseli- paino, FLM 4 näyttää yliarvioivan väsymisvauriot merkittävästi, kun taas teillä, joilla on vähän liikennettä, mutta suuri keskimääräinen ajoneuvon akselipaino, yli- arviointi ei ole niin merkittävää. Ehdotettiin, että FLM 5:sta tulisi käyttää LSL:n väsymisen todentamiseen FLM 4:n sijaan. Myös modulaarisen LSL:n liitos analy- soitiin väsymisen suhteen käyttämällä keskipalkin vaihtelevia jännevälejä. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella keskipalkin jänneväli tulee pitää alle 1,2 m, jotta vältetään liiallinen väsymisvaurio liitoksessa.Description
Supervisor
Lin, WeiweiThesis advisor
Lilja, HeikkiTirkkonen, Timo
Keywords
fatigue assessment of EJ, bridge, traffic data, MBJS, fatigue load model 4, expansion joint