Reliability of structures exposed to traffic and environmental loads
Fiabilité de structures soumises aux actions du trafic et aux sollicitations naturelles
Résumé
The Thesis is dedicated to reliability analysis of the deck of Millau viaduct, a cable-stayed bridge located in Southern France. The main interest is the extrapolation in time of loads and load effects affecting the bridge in order to observe the reliability of chosen elements during the operational life of the structure. Millau viaduct is a complex unique bridge of French road infrastructure in the early stage of its life. It is important to be able to predict possible extreme loads on the deck of the bridge due to traffic growing in volume or weight. Such predictions require data from monitored actions or load effects in elements of the bridge. Large-scale structures need an enormous amount of data, that is not easy to obtain, to store and to analyze. It leads to another challenge - predictions based on limited time and accessible monitoring data.In the current work, predictions for traffic loads are done using provided data from bridge Weigh-in-Motion (BWIM) traffic monitoring for the case of the the ultimate limit state (ULS). For load extrapolation in time, several methods of Extreme Value Theory (EVT) are compared, with the most attention to the Peaks Over Threshold (POT) approach. Moreover, a contribution to existing methods for threshold choice, as the main challenge of POT approach, is made.In large cable-stayed bridges, not necessarily traffic is the leading action, but environment loads can have similar or superior effect. The focus of this work is on the deck of Millau viaduct, therefore, static wind loads obtained from structural health monitoring (SHM) of the viaduct are considered in combination with queues of traffic lorries. A probabilistic model is made to observe probabilities of extreme cases for both actions and their combination. As well, the influence of monitoring duration on confidence intervals for return levels of loads is studied.For the steel orthotropic deck of the bridge, both, local effects caused by passing vehicles and global effects, contribute to values of stresses. Global effects are coming from traffic queues on both lanes and static wind in a perpendicular direction. In this Thesis, finite element model (FEM) of the deck is performed in order to assess stresses in the deck. That brings a possibility to make predictions for the fatigue limit state too. Usually, fatigue damage accumulated in a chosen part of the deck during a monitoring period is extrapolated in time linearly. The current work proposes a methodology to extrapolate numbers of fatigue cycles in time with the POT approach, which accounts for a change in traffic in volume and weight with time. Comparison of the proposed approach with the classical method is made and used in the fatigue reliability analysis. Reliability analysis is made as well for the ULS in order to compare the results obtained from several EVT approaches, to observe the importance of wind actions on the reliability of the deck, and to compare EVT-based predictions with design load models of European Norms (EN) for traffic and wind
Cette thèse est consacrée à l’analyse de la fiabilité du tablier du viaduc de Millau, un pont à haubans situé dans le sud de la France. Le but principal est d’extrapoler dans le temps les charges et les effets de charges sur le pont afin d’observer la fiabilité de différentes parties de la structure pendant sa durée de vie. Le viaduc de Millau est une infrastructure routière française, complexe et unique, qui est en début de vie. Il est important de pouvoir prévoir les charges extrêmes possibles sur le tablier du pont en raison de l’augmentation du volume ou du poids des véhicules. De telles prévisions nécessitent des données mesurées sur l’ouvrage, soit les charges ou actions, soit les effets de celles-ci. Les structures à grande échelle ont besoin d’une grande quantité de données, qu’il est difficile d’obtenir, de stocker et d’analyser. Cela pose un autre défi : les prévisions basées sur un temps limité et des données de surveillance accessibles. Les prévisions de charges de trafic dans ce travail sont effectuées à l’aide des données fournies par la surveillance du trafic du système BWIM pour le cas d’état limite ultime. Pour l’extrapolation de charge dans le temps, plusieurs méthodes de la théorie des valeurs extrêmes (EVT) sont comparées, une attention particulière étant accordée à l’approche POT. De plus, une contribution aux méthodes existantes pour le choix du seuil, en tant que principal défi de l’approche de POT, est apportée. Dans les grands ponts à haubans, le trafic n’est pas nécessairement l’action principale, mais les charges climatiques peuvent avoir un effet similaire ou supérieur. Le centre de ce travail est le tablier du viaduc de Millau. Par conséquent, la charge de vent statique obtenue à partir du système de surveillance de la santé structurelle du viaduc est considérée en combinaison avec les files de camions de circulation. Un modèle probabiliste est créé pour observer les probabilités de cas extrêmes pour les actions et leur combinaison. De même, l’influence de la durée de surveillance sur les intervalles de confiance pour les niveaux de retour de charges est étudiée. Dans le détail du tablier orthotrope en acier, les effets locaux causés par le passage de véhicules et les effets globaux contribuent à la valeur des contraintes. Les effets globaux proviennent des files des véhicules sur les deux voies de tablier et du vent statique dans une direction perpendiculaire. Dans cette thèse, un modèle d’éléments finis du pont est créé afin d’évaluer les contraintes dans le pont. Cela offre également la possibilité de prévoir l’état limite de fatigue. Habituellement, les dommages de fatigue accumulées dans un détail pendant la période de surveillance sont extrapolées linéairement. Le travail actuel propose une méthodologie pour extrapoler le nombre de cycles de fatigue dans le temps avec l’approche POT, qui prend en compte une variation du trafic en volume et en poids avec le temps. Une comparaison de l’approche proposée avec la méthode classique est effectuée et utilisée dans l’analyse de fiabilité en raison de fatigue. Une analyse de fiabilité est également effectuée pour l’état limite ultime afin de comparer les résultats obtenus avec plusieurs approches de EVT, d’observer l’importance des actions du vent sur la fiabilité du tablier et de comparer les prévisions basées sur EVT avec les modèles de charge de calcul des normes Européennes pour le trafic et le vent
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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