Risk-based highway bridge inspection intervals

Abstract

Infrastructure maintenance programs establish schedules for routine inspections of highway bridges with little consideration of their current conditions. The time interval between two inspections is traditionally set based on experience and on engineering judgment. For example, in the US considerable expenditures are incurred to meet the required biennial routine inspection of all bridges many of which may be in good condition. It is therefore of great interest for the engineering community to develop an approach to control inspection schedules of individual bridges and minimize their associated costs using rational criteria that account for the lower risk of postponing the inspection of bridges that are subject to reduced deterioration mechanisms and low traffic loadings. The implementation of such a risk-based approach would go a long way in helping optimize the limited resources available for maintaining the vast highway infrastructure system. The object of this Ph.D. dissertation is to develop a rational approach for determining a risk-based optimum time interval between bridge inspections. The proposed theoretical approach subsequently serves for proposing a simple procedure that is implementable in routine practice by bridge engineers using easily available bridge-specific data. To illustrate the proposed procedure using actual bridge data, the work uses highway data from the state of New York (NYS) in the United States of America (USA) in the form of Weigh-in-Motion (WIM) truck traffic data and bridge records provided through the National Bridge Inventory (NBI) database. These data are used to develop a theoretical framework able to define the capacity of bridges probabilistically and the risk of bridge failure if a bridge’s inspection is deferred for a limited period of time. The calculations performed in this dissertation based on data collected in the state of New York are limited to simple span composite steel-concrete superstructures that constitute a large proportion of short to medium span bridges in North America. However, the same concepts can be extended to other types of superstructures and other regions of the world as appropriate data become available. The conclusions of this study include the demonstration of the inadequacy of utilizing a standard two-year inspection interval for all bridges. To overcome this problem a simplified procedure is proposed for an easy practical engineers’ application.

Els programes de manteniment d'infraestructures estableixen plans periòdics d'inspecció bàsica en els quals l'estat actual dels ponts té relativament poca importància a l'hora de definir l'interval de temps. L'interval temporal entre dues inspeccions es basa normalment en la practica habitual i en la experiència passada. Per exemple, als Estats Units d'Amèrica una gran part del pressupost de despesa destinat al manteniment de la xarxa d'infraestructures es deriva al pla d'inspeccions biennal de ponts tot i que, aquests, en molts casos mostren bones condicions estructurals. Per això la comunitat enginyeril està interessada en el desenvolupament de protocols que controlin el pla d'inspecció de ponts i que minimitzin els costos associats a traves de criteris racionals. Aquets criteris han de ser capaços de reconèixer els ponts que presenten un risc alt degut a la elevada exposició a processos de deteriorament i a sobrecarrega de tràfic intens i minimitzar els costos d'inspecció associats. La implementació d'estratègies basades en el càlcul del risc permet optimitzar el pressupost total disponible per al manteniment de les xarxes de carreteres. L'objecte d'aquesta tesi doctoral es el desenvolupament d'un procediment racional basat en el càlcul del risc per a estimar l'interval òptim entre dues inspeccions bàsiques. L'estratègia teòrica proposada es fa servir posteriorment per a la aplicació pràctica d'aquests criteris utilitzant dades inicials fàcils d'obtenir per l'usuari final que estigui interessat en aplicar el mètode per a un pont en concret. La metodologia proposada en aquest treball utilitza dades de la xarxa de carreteres de l'estat de Nova York (NYS) als Estats Units d'Amèrica (USA), a partir de mesures de tràfic del tipus Weigh-in-Motion (WIM) i de informacions provinents de la base de dades del National Bridge Inventory (NBI). Aquestes dades es fan servir per a desenvolupar una eina metodològica capaç de calcular la capacitat estructural de superestructures des del punt de vista probabilista i quantificar l'increment de risc al que la societat està sotmesa en cas de decidir incrementar l'interval d'inspecció per damunt dels 2 anys. Per al càlcul dels intervals d'inspecció es fa servir el concepte de risc, que a la vegada es basa en models de càlcul probabilistes. L'interval d'inspecció òptim s'obté minimitzant el risc de fallada obtingut combinant la probabilitat de fallada amb el cost associat. El cost de fallada s'obté estimant els costos potencials relatius com víctimes, ferits, reconstrucció del pont, interrupció del tràfic vehicular, impacte ambiental i cost d'inspecció. Els càlculs duts a terme en aquesta tesi estan basats en dades de la regió del estat de Nova York i limitats a ponts simplement recolzats amb superestructura mixta acer-formigó que constitueix una important tipologia en l'àmbit nord americà. No obstant, els mateixos conceptes poden ser aplicats a altres regions del mon a mesura que la informació necessària estigui a disposició. L'estudi demostra la ineficiència d'utilitzar un interval d'inspecció de dos anys per a tots els ponts i proposa una metodologia simplificada per calcular l'interval d'inspecció recomanat per ser implementat en la pràctica engineril d'una manera senzilla.

Los programas de mantenimiento de infraestructuras establecen planes periódicos de inspección básica en los cuales el posible estado de los puentes en el momento de la inspección tiene relativamente poca importancia. El intervalo temporal entre dos inspecciones se fija sobre la base de la práctica habitual y sobre experiencia pasada. Por ejemplo, en los Estados Unidos de América una gran parte del presupuesto de gasto destinado al mantenimiento de la red de infraestructuras se deriva al plan de inspecciones bienales de puentes aunque en muchos casos muestran buenas condiciones estructurales. Por esta razón, es de suma importancia para la comunidad el desarrollo de protocolos para controlar el plan de inspección de puentes y minimizar los costes asociados a través de criterios racionales, para poder destinar los recursos asignados a inspección allí donde más falta hacen. Dichos criterios tienen que ser capaces de reconocer aquellos puentes que presentan mayor riesgo debido a la exposición a procesos de deterioro y a sobrecarga de tráfico intenso y minimizar los costes de inspección asociados. La implementación de estrategias basadas en criterios de riesgo permite optimizar el presupuesto total disponible para el mantenimiento de las redes de carreteras El objeto de esta tesis doctoral es el desarrollo de un procedimiento racional basado en el cálculo del riesgo para determinar el intervalo óptimo entre dos inspecciones básicas. El enfoque teórico propuesto se emplea posteriormente para la aplicación en la práctica de dichos criterios utilizando datos de partida fáciles de obtener para el usuario final que esté interesado en aplicar el método para un puente en concreto. La metodología propuesta en este trabajo se materializa a través de los datos disponibles de la red de carreteras del estado de Nueva York (NYS) en Estados Unidos de América (USA), desde mediciones de tráfico del tipo Weigh-in-Motion (WIM) hasta informaciones en el marco de la base de datos del National Bridge Inventory (NBI). Esos datos se utilizan para desarrollar una base metodológica capaz de calcular la capacidad portante de superestructuras desde el punto de vista probabilista y cuantificar el incremento de riesgo que supone incrementar el intervalo de la inspección básica, actualmente fijado en dos años En la práctica actual, el cálculo de la capacidad portante de puentes sujetos a sobrecarga de tráfico (en estado límite de servicio y último) se lleva a cabo a partir de modelos típicamente elástico-lineales en los que se evalúan los esfuerzos para el elemento más crítico y sucesivamente se considera el cálculo no lineal para la verificación de dicho elemento. Este enfoque está aceptado y ha demostrado su validez y fiabilidad en numerosas aplicaciones. Sin embargo, a pesar de que estos modelos pueden tener en cuenta el deterioro detectado en las campañas de inspección, normalmente no consideran sobrecargas de tráfico realistas, el comportamiento estructural del conjunto del puentes y no sólo de sus elementos por separado, o la evolución posible del deterioro entre intervalos de inspección. En este estudio, se emplean datos de tráfico real obtenidos de sistemas WIM para estimar la sobrecarga de tráfico máxima esperada que puede ser bastante diferente de la que típicamente sugieren los códigos de diseño y evaluación estructural de puentes. De la misma manera, la respuesta conjunta de la estructura se tiene en cuenta en este trabajo utilizando modelos capaces de simular el comportamiento no-lineal de los materiales y la evolución de la redistribución de los esfuerzos cuando la estructura se encuentra en rangos de deformaciones próximos a rotura. Esto permite mejorar el cálculo de la capacidad estructural y detectar aquellos puentes cuya configuración tipológica y topológica resulta en un comportamiento redundante que no es posible tener en cuenta en los modelos de cálculo tradicionales. Además, se incluye en el modelo el deterioro de los materiales tras estudiar datos históricos sobre la pérdida de capacidad portante de una gran cantidad de puentes seleccionados del NBI. Para el cálculo de los intervalos de inspección se emplea el concepto de riesgo, que a su vez se basa en modelos de cálculo probabilistas. El intervalo de inspección óptimo se obtiene minimizando el riesgo de fallo obtenido combinando la probabilidad de fallo con el coste asociado. El coste del fallo se obtiene estimando los costes potenciales relativos como víctimas, heridos, reconstrucción del puente, interrupción del tráfico vehicular, impacto ambiental y coste de inspección. Los cálculos llevados a cabo en esta tesis están basados en datos de la región del estado de Nueva York y limitados a puentes simplemente apoyados con superestructura mixta acero-hormigón que constituye una importante tipología en el ámbito norteamericano. Sin embargo los mismos conceptos pueden ser aplicados a otras regiones del mundo a medida que la información necesaria se encuentre disponible. El estudio demuestra la ineficiencia de utilizar un intervalo de inspección de dos años para todos los puentes y propone una metodología simplificada para calcular el intervalo de inspección recomendado para ser implementada en la práctica ingenieril de una forma sencilla.