Existing Bridge Vulnerabilities: The Case of Prestressed RC Dapped-end Beams

The safety of existing bridges has assumed a primary role over the years, especially after recent disasters involving various structures both domestically and internationally. For the risk assessment and management of existing bridges, Italy has adopted a new multi-level risk-based approach. For proper risk assessment, evaluating the vulnerability and defects of the structures through visual inspections assumes a key role in this approach. The results of an extensive campaign of visual inspections, carried out as part of the research project involving the Università Politecnica delle Marche, the inter-university consortium FABRE and the road network owner ANAS, highlight the main issues found on existing bridges. The inspection campaign reveals the need to thoroughly investigate the behaviour of critical elements such as dapped-end beams prestressed with post tensioned cables, whose brittle failure mechanism can lead to sudden collapse of the structure. The scientific literature was reviewed thoroughly, and a discussion and analysis of the numerical models that estimate the maximum load of dapped-end beams and the main experiments that were done was conducted. The focus of the analysis was on the details of the construction and the defects that were examined, as well as the testing methods that were used. Based on what was found on the literature, two experimental campaigns are designed: one in the laboratory and one in situ, with the aim of investigating the failure behaviour of post-tensioned dapped-end beams. The laboratory campaign involves six scaled specimens based on the design details of an existing bridge. The effect of different prestressing levels on the ultimate shear capacity will be evaluated using three-point non-symmetrical bending tests. The design of the experimental tests is supported by an extensive numerical investigation using both simple Strut-and-Tie and solid finite element models. The design of the in situ experimental campaign on an existing bridge is presented, which will be conducted when the structure is demolished and rebuild. A 30-metre hinged drop-in span will be the subject of the tests and diagnostic investigations, and a three-point bending test will evaluate the capacity of the dapped-end beam in situ.

La sicurezza dei ponte esistenti ha assunto negli anni un ruolo primario, specialmente dopo i recenti disastri che hanno coinvolto diverse opere sia nel territorio nazionale che internazionale. Per la valutazione e gestione del rischio dei ponte esistenti, l’Italia si è dotata di un nuovo approccio multi-livello basato sul rischio. Nella corretta valutazione del rischio, la valutazione della vulnerabilità e dei difetti dell’opera attraverso le ispezione visive assume un ruolo fondamentale all’interno del framework. I risultati di una estesa campagna di ispezioni visive, svolta nell’ambito del progetto di ricerca che ha coinvolto l’Università Politecnica delle Marche insieme a, il consorzio inter-universitario FABRE e all’ente gestore ANAS, sono vengono presentati in questo lavoro di tesi con l’obiettivo di evidenziare le maggiori criticità riscontrate sui ponti esistenti. Dalla campagna di indagini emerge la necessità di indagare approfonditamente il comportamento di elementi critici come le travi con selle Gerber post-tese, il cui meccanismo fragile di rottura può portare a collassi improvvisi dell’opera. Grazie ad un’accurata analisi della Attraverso lo studio della letteratura scientifica, sono stati approfonditi e analizzati studiati i modelli numerici proposti per valutare la capacità ultima delle travi con selle Gerber e le principali indagini sperimentali condotte, con particolare attenzione ai dettagli costruttivi e difettologici studiati e al metodo di prova impiegato. Sulla base di Partendo da quanto presente fatto in letteratura, sono state progettate due campagne sperimentali di indagine, una in laboratorio e un’altra in situ, sono progettate con il fine di indagare il comportamento a rottura delle selle Gerber post-tese. La campagna in laboratorio prevede la realizzazione di sei travi in scala con selle Gerber progettate per riprodurre in scala ridotta le selle delle travi basate sugli elaborati di progetto di un ponte esistente. Il contributo di differenti livelli di precompressione sulla capacità ultima a taglio saranno valutati attraverso prove di flessione non-simmetrica su tre punti. Il progetto della campagna sperimentale è affiancato da un estesa indagine numerica sia con semplici modelli Strut-and-Tie sia con modelli agli elementi finiti solidi. Infine, viene è presentato il progetto della campagna sperimentale in situ su un ponte esistente che saranno condotte condotta in occasione della demolizione e sostituzione dell’opera. Le prove e le indagini diagnostiche saranno eseguite sulla campata tampone di 30 metri e mentre la capacità della sella Gerber sarà testata in situ attraverso mediante una prova di flessione su tre punti.