GUIA TÉCNICO PARTE II – GESTÃO DE INFRAESTRUTURASdurati.lnec.pt/pdf/sem_PDF/4Instrumentos de apoio a decisão.pdf · 1. Sumário Parte II - Gestão de Infraestruturas - Vol 2

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Investing in our common future

Seminário DURATINETLisboa �� 26 Nov 2013

Projeto nº 2008-1/049

Manutenção e Reparação de Infraestruturas de Transpor teGUIA TÉCNICO

PARTE II – GESTÃO DE INFRAESTRUTURAS

Alan O’CONNOR, Afonso PÓVOA

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Seminário DURATINET

Lisboa, 26 novembro 2013

Parte II – Gestão de Infraestruturas

Volume 1 – Guia GeralVolume 2 – Manutenção e Avaliação Estrutural

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Parte II – Gestão de Infraestruturas - Vol 1 - Guia Ge ral

1 Sumário

2 Introdução

3 Inspeções

4 Ensaios

5 Condição Estrutural

6 Relatórios e Arquivo

7 Conclusões

Anexos

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1. Sumário

� Requisitos de Manutenção

� Bases para a Manutenção

� Manutenção e Planeamento de Atividades


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2. Introdução


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� Faseamento das Inspeções

� Tipos de Inspeção

Inspeções Visuais

Inspeções Detalhadas

� Formação dos Técnicos

� Sistemas de Gestão de Infraestruturas (BMS)

3. Inspeções Estruturais

Parte II - Gestão de Infraestruturas - Vol 1 - Guia Ge ral

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� Guia Geral (TG – Part III e Part IV)

� Repositório e arquivo da documentação

� Arquivo de Informação não tratada

� Ensaios estruturais apropriados

4. Ensaios Estruturais


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� Estado de condição contínuo (resultados ensaios)

� Estado de condição descontínuo (inspeções visuais)

5. Condição Estrutural


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� Formatação de Relatórios

� Arquivo

6. Relatórios e Arquivo


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� Necessidade de aprofundamento de complexastécnicas de ensaios e inspeção

� Importância das inspeções/ensaios por etapas

� Necessidades de formação específica

� Importância do Planeamento da Manutenção

� Necessidade de definição de níveis de condiçãoapropriados

7. Conclusões


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� Contexto Nacional na Manutenção e Avaliação de Infraestruturas

Panorâmica Geral

Metodologias de Inspeção

Anexo


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Parte II - Gestão de Infraestruturas - Vol 2 – Manutenção e Ava liaçãoEstrutural

1 Sumário

2 Introdução

3 Avaliação Estrutural

4 Modelação Estrutural

5 Modelação de Cargas

6 Modelação da Resistência

9 Conclusões

7 Análise de Fiabilidade

8 Exemplos

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1. Sumário


� Porquê avaliar as estruturas?

� Como avaliar estruturas?� Quando realizar a avaliação das estruturas?

� O que avaliar nas estruturas?

� Quem está habillitado a avaliar as estruturas?� Onde intervir nas estruturas?

� Quais as estruturas que requerem prioridade nagestão?

� Como decidir sobre quais os indicadores de desempenho no estabelecimento de prioridades?

� Como intervir nas estruturas?

� Como planear a manutenção numa perspetiva de custo-otimização?

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Parte II - Gestão de Infraestruturas - Vol 2 – Manutenção eAvaliação Estrutural

1. Sumário

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Mecanismo de Degradação> Corrosão de Armaduras

> Reações Alcalí-Agregado

> Gelo-Degelo

> Ataque de Sulfato

> Assentamentos

> Sobrecargas

> Colisão

Identificação do Problema> Causa

> Extensão

> Importância

baseado em

> Inspeção/Ensaio

> Avaliação Estrutural

Opções de Manutenção> Não fazer nada

> Monitorizar

> Efetuar reparação

> Efetuar reforço

> Substituir elemento ou estrutura

1. Sumário


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2. Introdução

� Panorâmica do PatrimónioInfraestruturas

� Sistemas de Gestão de OA (BMS)

� Fiabilidade - Probabilidade - Risco


� Otimização na Gestão

Bridge Cause of FailureYnys y Gwas Bridge, South Wales,UK 1985

Single span, 32 year old segmental prestressed concrete bridge over the River Afan collapsed without warning. Cause:corrosion of the longitudinal and transverse prestressing wires.

Schoharie Creek, New York State,USA 1987 Foundation collapse leads to mains span falling into creek. Ten motorists dead. Scour undermined concrete spread footings.

Changson Viaduct, Seoul 1992 Pier failure shortly after opening causing collapse of main span. One dead, seven injured.Haeng Ju cable stayed, Seoul,Korea 1992

Collapse of a temporary pier during construction. Only half of the required volume of concrete had been placed in the pier’sfoundation.

Songsu, Seoul, Korea 1994 Collapse of the midspan truss members due to fatigue exacerbated by traffic overloading. Thirty two dead.Ponto de Ferro bridge, Entre osRios, Portugal 2001

Scour undermining one of the six masonry piers during flood conditions, exacerbated by illegal sand extraction around thepiers, and hitting of piers by local ships. Seventy dead.

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> Estruturas novas são dimensionadas de forma conservadora:

� Incerteza sobre aumento cargas

� Custo com aumento capacidade irelavantes


3. Avaliação Estrutural

> Avaliação estrutural deve ser menos conservadora:

� Custos relevantes para reforçar/substituir estrutura existente

� Capacidade e carregamentos podem ser medidos

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� Grandes incertezas:o Capacidade conservadorao Dimensionamento baseado em

esquemas de cargao Métodos de dimensionamento

�

� Factores segurança altos� Desnecessário:

o Custos de reabilitaçãoo Limitação de carga

� Menos incertezas:o Capacidade realistao Carregamentos realistaso Metódos de avaliação

�

� Factores segurança baixos� Poupanças:

o Custos de reabilitaçãoo Menores restrições exploração



Novas estruturas: Estruturas existentes:

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Factor de Segurança Global

Part II - Gestão de Infraestruturas - Vol 2 – Manutenção e Aval iaçãoEstrutural

Factor de Segurança Parciais

Probabilidade de Falha

Avaliação dos Estados Limites

Avaliação baseada em Abordagem Semi-Probabilística

Avaliação baseada em Abordagem Probabilística

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4. Modelos de Resposta

� Métodos de Análise Estrutural

� Intregração de dados in situ nos modelos


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4. Modelos de Resposta


Structure Type Level of Assessment

1 2 3 4 5

Brid

ges

Not skew Beam

1-D or 2-D linear elastic (beam theory or plane frame analysis)

1-, 2- or 3-D linear or non-linear; elastic or plastic; allowing for cracking

2- or 3-D; linear or non-linear; elastic or plastic; grillage or FEM (upstand model if necessary); allowing for soil-structure interaction, cracking, and site-specific live loading & material properties

FE

M a

naly

sis

of s

peci

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f the

str

uctu

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Rel

iabi

lity

anal

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obab

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odel

s

Not skew Slab

2- or 3-D linear or non-linear; elastic or plastic; allowing for cracking; grillage or FEM (upstand model if necessary)

Not skew Beam &

Slab Not skew Cellular

Skew, tapered

and curved

1-D or 2-D simple grillage, linear elastic allowing for torsion

Arch

Empirical or 2-D linear elastic arch frame

2- or 3-D linear or non-linear; elastic or plastic; allowing for cracking

Structure Type Level of Assessment

1 2 3 4 5

Brid

ges

Cable Stayed

2-D linear elastic with modified modulus of elasticity for the cables

2- or 3-D linear or non-linear; elastic or plastic; modelling cable sag more accurately

2- or 3-D; linear or non-linear; elastic or plastic; grillage or FEM (upstand model if necessary); allowing for soil-structure interaction, cracking, and site-specific live loading & material properties

FE

M a

naly

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ls

Rel

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roba

bilis

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odel

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Cul

verts

Rigid Frame linear elastic 2- or 3-D FEM

linear or non-linear; elastic or plastic; allowing for soil-structure interaction, cracking

2- or 3-D FEM, linear or non-linear; elastic or plastic; allowing for soil-structure interaction, cracking and site-specific loading & material properties

Flexible

Frame linear elastic allowing for soil-structure interaction (beam & spring)

Wha

rves

Earth-retaining

walls

Simple equilibrium method of analysis

Beam, 2- or 3-D non-linear FEM on elastic foundation or elasto-plastic continuum

3-D non-linear FEM, allowing for soil constitutive models and site-specific loading & material properties

Reinforced soil

Empirical models or 1-D linear elastic

2- or 3-D FEM of soil

2- or 3-D FEM of soil in combination with existing structure and site-specific loading & material properties

Tunnels

Empirical models or beam-and-spring models (non-cohesive soil)

2- or 3-D FEM; linear or non-linear; elasto-plastic

3-D non-linear FEM with bedding, fracture planes, … and site-specific loading & material properties

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5. Modelos de Carga

� Cargas Permanentes

� Cargas Variáveis (Sobrecargas)


Fig. 1. Extreme Value Approximations for Simply Supported Bridge and Bending Moment at Centre of Span (Total Span 20 M). Left: Gumbel I.Right: Weibull

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

4000 4500 5000 5500 6000

λ (kNm)

0

1

2

3

4

5

6

7

4500 5000 5500 6000 6500λ (kNm)

Fig. 1. Comparison of Gross Vehicle Weight Distributions at Various Sites on The French Motorway Network

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0 100 200 300 400 500 600 700 800GVW [kN]

f x(x

)

A1

A2

A31

A6

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Strain measurementsStrain measurements

Axle detectionAxle detection

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6. Modelos de Resistência

� Incerteza nas propriedades dos materiais

� Modelação das propriedades na avaliaçãoestrutural


� Modelos de Deterioração

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Table 1. Systematic and Random Uncertainties of Engineering Materials

Quality of Construction Average (Cast in -place) Excellent (Factory precast)

Property Mean Standard Deviation

Coefficient of

Variation Mean Standard

Deviation

Coefficient of

Variation Concrete in structure loaded to failure

Compressive Strength (psi)

fc’=3000 psi 2768 487 0.175 2768 375 0.135 fc’=4000 psi 3388 595 0.175 3388 460 0.135 fc’=5000 psi 4013 705 0.175 4013 544 0.135 Modulus of rupture (psi)

fc’=3000 psi 402 88 0.220 402 85 0.210 fc’=4000 psi 445 97 0.220 445 94 0.210 fc’=5000 psi 485 106 0.220 485 102 0.210 Splitting Strength (psi)

fc’=3000 psi 306 54 0.175 306 52 0.170 fc’=4000 psi 339 60 0.175 339 58 0.170 fc’=5000 psi 369 65 0.175 369 63 0.170 Modulus of Elasticity (ksi)

fc’=3000 psi 2956 351 0.120 2956 310 0.105 fc’=4000 psi 3260 387 0.120 3260 342 0.105 fc’=5000 psi 3537 420 0.120 3537 371 0.105

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Modelos Mecanicistas

Modelos Determinísticos

Modelos Estocásticos

Algoritmos Genéticos

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7. Análise Probabilística

� Análise Probabilística

� Modelação de Cargas Probabilística


� Incorporação de incertezas no modelo

� Incorporação de informação suplementar

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8. Exemplos

� Storstrom Bridge

� Ferrycarrig Bridge


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(i) Storstrom Bridge, Dinamarca

� Com 3.2 km de comprimento a StorstroemBridge estabelece a ligação entre a ilhadinamarquesa Zealand e as ilhas Falster eLolland.

� A Ponte tem duas vias rodoviárias, uma viaferroviáriaria e uma consola lateral, para otráfego pedonal.

� Constituída por infraestrutura de suporte, emBetão Armado, e tabuleiro misto (aço-betão).

� A Ponte foi inaugurada em 1937.


8. Exemplos

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8. Exemplos

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Storstrom Bridge: Resultados da Avaliação Estrutural

A avaliação baseada em métodos determinísticos da laje usando o PROCON para o pesopróprio e sobrecargas resultou num fator de carga máximo de 0.61. Tal conclusãodetermina que a laje era incapaz de suportar as cargas aplicadas. Era, assim,recomendada a realização de reabilitação, com custos significativos.Uma avaliação probabilística incluindo a modelação da deterioração, com modelosatualizados com base em informação recolhida fruto de inspeções efetuadas, permitiudocumentar que a ponte apresentava capacidade suficiente.


8. Exemplos

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(ii) Ferrycarrig Bridge, Irlanda

1.20

m

Bridge deck

15.80 m

Crosshead beam

Pier wall Pier wall


8. Exemplos

�A Ponte, com 125.6 m de extensão é formada poruma estrutura vigada pé-fabricada e pré-esforçada,com 8 vãos iguais, de 16 m, apoiada em pilaresintermédios e encontros fundados em estacas;

�Transversalmente as 28 vigas sáo solidarizadaspor carlingas, sobre os apoios;

�A Ponte foi construída em 1980;

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8. Exemplos No decurso de uma inspeção de rotina, em 2002,evidenciou alguns problemas, nomeadamente:

�Fissuração extensa nas carlingas;

�Danos nas juntas de dilatação;

�Fissuração nos encontros;

Estas anomalias conduziram à realização de umainspeção detalhada, em 2004 complementada comavaliação estrututural

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8. Exemplos

Análise Estrutural DeterminísticaBases da Avaliação – Standards da NRA e UKModelo Análise – Modelo Tridimensional

Resultados da AvaliaçãoELU e ELS – Vigas Longitudinais

ELU – Carlingas

O modelo de cálculo evidenciou insuficiência ao nível da capacidade resistente à torção

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Como se pode ver, da figura,a probabilidade de falha àtorção é reduzida (Mr<0),com um índice de fiabilidadecalculado no valor de 4,76


8. Exemplos

Análise de Fiabilidade (Probabilística)Bases da Avaliação – Apenas investigada falhaao nível da torção das carlingas

Formulação

Resultados da Avaliação

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8. Exemplos Mais alguns exemplos de otimização de custos (DRD) >€40,000,000):

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9. Conclusões


� Distinção entre dimensionamento e avaliação estrutural;

� Critérios de dimensionamento ainda muito usados em avaliações;

� Importância da avaliação multi-nível;

� A importância de formar pessoal técnico especializado;

� A avaliação das condições da estrutura existente e o relacionamento entre,inspeções e ensaios, análises determinísticas, semi-probabilísticas eprobabilísticas;

� Necessidade BMS como chave na realização de gestão otimizada

� Importância da informação complementar

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9. Conclusões


� Casos de estudo demonstram aplicação prática na abordagem através daanálise probabilística na otimização da manutenção para pontes existentes.

� A segurança da estrutura NUNCA foi colocada em questão, antesresultando a obtenção de um código específico para avaliação da ponte.

� A justificação para aplicação de métodos baseados em análise daprobabilidade está referenciada em normas (nacionais e europeias)

� Não existem obstáculos práticos ou técnicos a sua aplicação.

� Vantagem clara nesta abordagem reside na possibilidade de incorporaçãode informação específica da ponte e da sua modelação especifica.

� Esta abordagem proporciona considerável poupança financeira otimizandoestratégias de manutenção em pontes existentes.

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Part II - Gestão de Infraestruturas

«(…)The cost of upgrading or replacing a bridge may be great. Section14 offers a method of evaluation by setting safety levels that areconsistent and appropriate for the bridge or bridge component beingassessed. The intention is to avoid some of the conservatism that, inthe interest of simplicity, may have been incorporated into the designprovision(…)» (CAN/CSA-S6-00b, 2000)

“(…) O custo de reabilitação ou substituição de uma ponte podeser grande. A secção 14 fornece um método de avaliaçãodefinindo níveis de segurança consistentes e apropriados para aponte ou componente avaliado. O objetivo é evitar algumconservadorismo que, no interesse da simplicidade, pode tersido incorporado nos requisitos de dimensionamento.(…)”

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Part II - Gestão de Infraestruturas

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