Statistical analysis of traffic loads and their effects on bridges

par Xiao Yi Zhou

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de François Toutlemonde.

Le président du jury était Benjamin Jourdain.

Le jury était composé de François Toutlemonde, Pietro Croce.

Les rapporteurs étaient Eugen Bruhwiler, Ton Vrouwenvelder.

  • Titre traduit

    Analyse statistique des charges de trafic et de leurs effets sur les ouvrages d'art


  • Résumé

    Pour les ouvrages neufs, les modèles de trafic dans les normes ou les législations pour la conception des ponts incluent une marge de sécurité suffisante pour que la croissance du trafic soit prise en compte sans dommage par ces ouvrages. Les fondements et les utilisations faites de ces méthodes pour modéliser les effets extrêmes du trafic sur les ouvrages sont donnés dans un premier chapitre. Différentes méthodes sont ainsi étudiées, telles la méthode des moments (MM), la méthode des moments à poids (PWM), le maximum de vraisemblance (ML), le maximum de vraisemblance pénalisé (PML), le minimum de la densité de la divergence (MDPD), la méthode des fractiles empiriques (EPM), la statistique du maximum d'adaptation et la vraisemblance des moments (LM). Pour comparer ces méthodes, des échantillons numériques, des effets de trafic simulés par Monte Carlo et des effets mesurés sur un ouvrage réel sont utilisés. Pour des effets du trafic simulés, ML et PML donne des valeurs de retour plus correctes lorsque le nombre de valeurs au-dessus du seuil est supérieur à 100 ; Des méthodes permettant de prendre en compte ce point et utilisant des distributions mélangées (exponentielles ou valeurs extrêmes généralisées) ont été proposées dans la littérature pour modéliser les effets du trafic. Pour des ponts ayant des portées supérieures à 50m, le scénario déterminant est celui de la congestion, qui n'est pas ce qui est étudié ici. De plus, le trafic n'est pas la composante déterminante pour la conception des ponts de longue portée. Mais des problèmes de fatigue peuvent apparaître dans certains ponts, tels les ponts métalliques à dalle orthotrope, où l'étude du trafic peut devenir nécessaire. Ainsi nous avons fait une étude de l'influence de la position des véhicules sur le phénomène de fatigue. Pour cela, quatre fichiers de trafic réels, mesurés en 2010 et 2011 par quatre stations de pesage différentes, ont été utilisés. Ils ont mis à jour des comportements latéraux différents d'une station à l'autre. Si nous les appliquons au viaduc de Millau, qui est un pont métallique à haubans et à dalle orthotrope, nous voyons que l'histogramme des effets et l'effet de fatigue cumulé est beaucoup affecté par le comportement latéral des véhicules. Ainsi, des études approfondies utilisant les éléments finis pour modéliser les ouvrages et des enregistrements de trafic réel, peuvent être utilisées pour pré-déterminer quels éléments, donc quelles soudures, doivent être examinés dans les ponts afin d'estimer leur santé structurelle


  • Résumé

    Traffic load model in standard or specification for bridge design should guarantee all newly designed bridges to have sufficient security margin for future traffic. Many different methods have been used to model extreme traffic load effects on bridges for predicting characteristic value for short or long return period. In order to provide some guidance on selecting parameter estimation when applying POT to bridge traffic loading, we focus on the effect that method used to estimate the parameters of the GPD has on the accuracy of the estimated characteristic values. Through this qualitative discussion on the methods, several available methods for traffic loading are selected. Numerical simulation data, Monte Carlo simulation traffic load effects and in-field traffic load effect measurements are analyzed and presented. Literature points out that the traffic load effect is induced by loading event that involves different number of vehicles, and the distribution of the load effects from different loading events are not identically distributed, which violates the assumption of classic extreme value theory that the underlying distribution should be identically independent distributed. Methods using mixture distribution (exponential or generalized extreme value) has been proposed in the literature to model the extreme traffic load effect by loading event. However, the traffic loading may be also importance if the bridge encounter traffic induced fatigue problem, components like orthotropic steel deck is governed by traffic induced fatigue load effects. We intend to explore the influence of traffic load on the fatigue behaviour of orthotropic steel deck, especially the influence of the loading position in terms of transverse location of vehicle. Measurements of transverse location of vehicle collected from by weigh-in-motion (WIM) systems in 2010 and 2011 four French highways showed a completely different distribution model of transverse location of vehicle to that recommended in EC1. Stress spectrum analysis and fatigue damage calculation was performed on the stresses induced traffic on orthotropic steel deck of Millau cable-stayed bridge. By comparing the stresses and damages induced by different traffic patterns (through distributions of transverse location of vehicle), it was found that the histogram of stress spectrum and cumulative fatigue damage were significantly affected by the distribution of transverse location of vehicle. Therefore, numerical analysis that integrates finite element modelling and traffic data with distributions of transverse location of vehicles can help to make an accurate predetermination of which welded connections should be sampled to represent the health of the deck


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