Statistical assessment and probabilistic prediction of bridge deterioration using structural condition recordings

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν δαπανηθεί τεράστια ποσά για τη συντήρηση των γηρασκουσών γεφυρών ανά τον κόσμο. Η αξιόπιστη εκτίμηση του ρυθμού φθοράς και της διάρκειας ζωής των γεφυρών αποτελούν ουσιώδη στοιχεία για τον καθορισμό βέλτιστων προγραμμάτων συντήρησης, αποκατάστασης/ενίσχυσης ή ανακατασκευής. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκαν δημοσιευμένα δεδομένα από επιθεωρήσεις υφιστάμενων γεφυρών από την Ομοσπονδιακή Διοίκηση Αυτοκινητοδρόμων των ΗΠΑ. Κύριος σκοπός της διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου για την πρόβλεψη του ρυθμού φθοράς των γεφυρών υπό διάφορες συνθήκες, αξιοποιώντας δεδομένα μόνο ενός έτους επιθεωρήσεων. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού αναπτύχθηκε μια γενική μεθοδολογία καθοδηγούμενη από δεδομένα, για να μοντελοποιηθεί μακροσκοπικά και να διερευνηθεί η φθορά γεφυρών και να αναδειχθούν οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τη δομικής κατάσταση γηρασμένων γεφυρών.Αρχικά, η υπάρχουσα βάση δεδομένων εμπλουτίστηκε με επιπρόσθετες πληροφορίες για τη συμπερίληψη υποψήφιων παραγόντων σχετικών με το κλίμα και τη σεισμική επικινδυνότητα, που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη δομική κατάσταση των γεφυρών. Ακολουθήθηκε διαδικασία ανάλυσης δεδομένων, αξιοποιώντας στατιστικές μεθόδους, για τον προσδιορισμό των κρίσιμων παραγόντων φθοράς. Παράγοντες που βρέθηκαν να έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στη δομική κατάσταση ήταν η ηλικία της γέφυρας, τα δομικά υλικά της, ο σεισμικός κίνδυνος της τοποθεσίας, διαβρωτικές συνθήκες που οφείλονται στην ύπαρξη νερού κάτω από τη γέφυρα και στη χρήση αλάτων κατά του παγετού. Εστιασμένη έρευνα διεξήχθη σε ολόκληρη την παράκτια περιοχή των ΗΠΑ που ανέδειξε ως κρίσιμη απόσταση τα 2-3 χιλιόμετρα από την ακτογραμμή προς στην ενδοχώρα, μέχρι την οποία διαβρωτικοί παράγοντες από τη θάλασσα δύνανται να επηρεάσουν τη φθορά γεφυρών. Αξιοποιώντας τα παραπάνω αποτελέσματα, πραγματοποιήθηκε διεξοδική μελέτη για την εξέλιξη της δομικής φθοράς στο χρόνο. Εστιασμένα δείγματα γεφυρών τμηματοποιήθηκαν βάσει των χρησιμοποιούμενων δομικών υλικών και των περιβαλλοντικών συνθηκών έκθεσης και αναλύθηκαν με γνώμονα την ηλικία και τη φθορά χρησιμοποιώντας πιθανότητες μη-ικανοποιητικής-δομικής-κατάστασης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο συνδυασμός αλάτων κατά του παγετού, ύπαρξης νερού κάτω από τη γέφυρα, καθώς και ύπαρξης κατασκευαστικών αρμών σε μη συνεχή καταστρώματα, έχουν διαφορετική επιρροή στα υλικά των διαφορετικών τμημάτων μιας κατασκευής.Τα ευρήματα της ανάλυσης έτυχαν επεξεργασίας και συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία σχετική με τη διάβρωση προς αναζήτηση πιθανών αιτίων και προελεύσεων, αλλά και προς επικύρωση της διαδικασίας ανάλυσης και των αποτελεσμάτων της.Η αυξητική τάση των πιθανοτήτων μη-ικανοποιητικής δομικής κατάστασης με την αύξηση της ηλικίας μελετήθηκε και αξιοποιήθηκε για την ανάπτυξη μιας μακροσκοπικής μεθόδου πρόβλεψης της μελλοντικής φθοράς γεφυρών. Η μέθοδος μετατοπίζει (αντιγράφει) πιθανότητες και προσαρμόζει κατάλληλα την κλίμακα του χρόνου λαμβάνοντας υπόψη στατιστικές ιδιότητες των μετατοπισμένων δεδομένων. Η τελική κατανομή προκύπτει από την παλινδρόμηση κατάλληλης συνάρτησης αθροιστικής κατανομής στα μετατοπισμένα και προσαρμοσμένα δεδομένα. Στην εργασία παρέχονται οι ιδιότητες, οι εξαρτήσεις της μεθόδου και τα αποτελέσματα της επικύρωσης των προβλέψεών της για όλα τα διαθέσιμα δείγματα. Τέλος, παρουσιάζεται μια εφαρμογή της μεθόδου στο πλαίσιο διαχείρισης κύκλου ζωής γεφυρών, όπου πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγηση διαφορετικών προγραμμάτων αποκατάστασης με βάση το αναμενόμενο κόστος. Παρόλο που η παρούσα έρευνα αναφέρεται σε γέφυρες, το αναπτυγμένο πλαίσιο μπορεί να επεκταθεί και σε άλλα γηράσκοντα συστήματα και έργα υποδομής που επηρεάζονται από φθορά, υπό την προϋπόθεση ύπαρξης αντίστοιχων διαθέσιμων δεδομένων.

In the last decades, vast budgets have been spent to maintain the aging bridges all over the world. Reliably estimating the deterioration rates and the lifetime of bridges are essential aspects in determining optimal programs regarding maintenance, rehabilitation or reconstruction. Published bridge inspection data from the US Federal Highway Administration were utilized to quantitatively treat the high uncertainties governing structural deterioration. The main purpose was to derive a novel method for forecasting the bridge deterioration rate under various circumstances, utilizing inspection results of only one year of published data. To achieve this, a data-driven framework was developed to investigate bridge deterioration and result in predominant factors that would allow its modelling.Initially, the existing database was enriched with information from other reliable databases, to include candidate deterioration factors regarding climate and earthquakes. A data analysis process, including various statistical methods, was performed and critical factors of deterioration were identified. Specifically, the age of a bridge, its structural materials, the earthquake hazard at its region, aggressive conditions due to water underneath the bridge and use of deicing salts, were found to be the factors affecting structural deterioration the most. A closer investigation was performed to the whole coastline region of the US. Critical distances from the coast were identified, indicating that corrosive agents from the sea can affect deterioration at distances up to 2-3 km inland. Utilizing the above results, a thorough study was performed on the progress of structural deterioration with time. Focused samples were segmented based on structural materials used and various exposures, and were analyzed with respect to age and deterioration using probabilities of non-satisfactory bridge condition. The results showed that combinations of the factors (deicing salts, water under a bridge and the existence of construction joints on non-continuous decks) have different effect on the materials of the bridge parts of deck, superstructure and substructure. The findings of this work were discussed and compared to corresponding results reported in literature on corrosion, in an effort to determine possible justifications and origins and provide validation and credibility for the analysis procedure and its outcomes.The dependency of non-satisfactory condition probabilities to age was studied and utilized to develop a macroscopic method to predict future deterioration. The Shifting Scaling Data Regression (SSDR) method was developed, according to which the initially calculated probabilities are shifted (copied) and then scaled using a consistent factor that accounts for the statistical properties of the shifted data. The final distribution is derived by fitting the shifted and scaled data points with an appropriate Cumulative Distribution Function. The SSDR’s properties and dependencies were displayed and the predictions of the method were validated utilizing all available samples. Furthermore, an application of the SSDR was demonstrated in the framework of life cycle management of a bridge, where various rehabilitation schedules were comparatively assessed with respect to expected costs. Although the research conducted herein refers to bridges, the developed framework can be extended to other infrastructure systems and facilities affected by structural deterioration, provided that respective data are available.