Uncertainty evaluation of reinforced concrete and composite structures behavior

Abstract

The quantity of civil engineering infrastructures increased in a substantial manner within the last few decades. As a result of this, countries become responsible for an enormous set of infrastructures to be maintained during its whole life. However, and according to OECD (Organization for Economic Co-operation and Development), the dispended budget in this field is still lower than the recommended one. Accordingly, it becomes necessary to develop advanced tools that, with the support of data from diverse observation systems, would permit to obtain a real image of the analysed structure. This way, some researchers produced, in the last few years, different structural assessment frameworks. While some introduced the model identification techniques, others presented the probabilistic assessment algorithms with Bayesian inference updating. Within this thesis an advanced probabilistic assessment algorithm, that comprises both these techniques of model identification and Bayesian inference, is developed. A two-step updating procedure is then established. The developed algorithm is combined with commercial nonlinear structural analysis software (ATENA®). This will allow the structure evaluation both in service and failure region. Additionally, it is intended to incorporate within this algorithm all different uncertainty sources that coexist in a structural assessment procedure. Some of these sources are introduced during the identification process, while others are incorporated during the probabilistic analysis. The final purpose is to obtain a reliability index, based in the comparison between loading and resistance curves, which provides a real measure of structural safety. The developed algorithm is, posteriorly, validated with different sets of laboratory tested structures which were loaded up to failure. These sets include both reinforced concrete and composite beams. Furthermore it is tested on a composite bridge submitted to a load test (Sousa River Bridge). Obtained results permit, in some situations, to identify an additional structural capacity which was not known at beginning.

O número de infraestruturas cresceu substancialmente nas últimas décadas, fruto de um crescimento económico desmedido. Como resultado deste fenómeno, os países ficaram detentores de um vasto parque de infraestruturas, a manter durante o seu ciclo de vida. Contudo, e de acordo com a OCDE (Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico), o valor despendido nesta matéria encontra-se, ainda, muito aquém do recomendado. Desta forma foi necessário desenvolver ferramentas que, com o apoio dos dados provenientes dos diversos sistemas de observação, permitissem a obtenção de uma imagem real da estrutura em análise. Neste sentido, vários investigadores desenvolveram, nos últimos anos, diversos algoritmos de avaliação estrutural. Alguns incidiram sobre técnicas de identificação, enquanto outros focaram as análises probabilísticas com atualização inferencial. Nesta tese, desenvolveu-se uma ferramenta de avaliação probabilística da segurança das estruturas que combina ambas as técnicas de identificação e inferência Bayesiana. Esta ferramenta é, posteriormente, implementada num programa comercial de análise não linear de estruturas (ATENA®), possibilitando, deste modo, a sua avaliação quer em serviço quer em rotura. Em paralelo, pretende-se, com este algoritmo, a incorporação das diferentes fontes de incerteza existentes num processo de avaliação estrutural. Enquanto algumas são introduzidas durante o processo de identificação estrutural, outras são incorporadas durante a própria análise probabilística. O objetivo final será a obtenção de um índice de fiabilidade, baseado numa comparação entre curvas de resistência e de carga, que forneça uma informação fidedigna da segurança estrutural. O algoritmo é, posteriormente, validado através de uma aplicação a um conjunto de estruturas ensaiadas até à rotura em laboratório. Este conjunto incorpora vigas em betão armado e mistas aço-betão. Seguidamente, será testado com uma ponte mista aço-betão submetida a um ensaio de carga (Ponte sobre Rio Sousa). Os resultados obtidos permitem, em algumas situações, a identificação de uma capacidade estrutural adicional não prevista em projeto.