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A software prototype is developed for assessing and updating the reliability of single-cell prestressed concrete box girders subjected to chloride-induced reinforcement corrosion. The underlying system model consists of two integrated sub-models: a condition model for predicting the deterioration state of the box girder and a structural model for evaluating the overall system reliability. The condition model is based on a dynamic Bayesian network (DBN) model which considers the spatial variation of the corrosion process. Inspection data are included in the calculation of the system reliability through Bayesian updating on the basis of the DBN model. To demonstrate the effect of partial inspections, the software prototype is applied to a case study of a typical highway bridge with six spans. The case study illustrates that it is possible to infer the condition of uninspected parts of the structure due to the spatial correlation of the corrosion process.
Inspection and maintenance of concrete bridges is a major cost factor in transportation infrastructure, and there is significant potential for using information gained during inspection to update predictive models of the performance and reliability of such structures. In this context, this paper presents an approach for assessing and updating the reliability of prestressed concrete bridges subjected to chloride-induced reinforcement corrosion. The system deterioration state is determined based on a Dynamic Bayesian Network (DBN) model that considers the spatial variability of the corrosion process. The overall system reliability is computed by means of a probabilistic structural model coupled with the deterioration model. Inspection data are included in the system reliability calculation through Bayesian updating on the basis of the DBN model. As proof of concept, a software prototype is developed to implement the method presented here. The software prototype is applied to a typical highway bridge and the influence of inspection information on the system deterioration state and the structural reliability is quantified taking into account the spatial correlation of the corrosion process. This work is a step towards developing a software tool that can be used by engineering practitioners to perform reliability assessments of ageing concrete bridges and update their reliability with inspection and monitoring data.
This paper addresses the quantification of the value of structural health monitoring (SHM) before its implementation for structural systems on the basis of its Value of Information (VoI). The value of SHM is calculated utilizing the Bayesian pre-posterior decision analysis modelling the structural life cycle performance, the integrity management and the structural risks. The relevance and precision of SHM information for the reduction of the structural system risks and the expected cost of the structural integrity management throughout the life cycle constitutes the value of SHM and is quantified with this framework. The approach is focused on fatigue deteriorating structural steel systems for which a continuous resistance deterioration formulation is introduced. In a case study, the value of SHM for load monitoring is calculated for a Daniels system subjected to fatigue deterioration. The influence of and the value of SHM in regard to the structural system risks and the integrity management is explicated and explained. The results are pointing to the importance of the consideration of the structural system risks for the quantification of the value of SHM.
Dieser Bericht beschreibt ein Systemmodell für eine integrale Ermittlung und Prognose der Schadens- und Zustandsentwicklung der Elemente eines Brückensystems unter Berücksichtigung von Ergebnissen aus Inspektionen und Überwachung. Das Systemmodell wurde anhand eines ausgesuchten Spannbetonüberbaus in einzelliger Kastenbauweise entwickelt. Es besteht aus zwei integralen Teilmodellen: ein Modell zur Beschreibung des Systemschädigungszustandes und ein Modell zur Beschreibung der Standsicherheit. Für die Modellierung des stochastischen Systemschädigungszustandes eines Brückensystems werden dynamische Bayes'sche Netze (DBN) vorgeschlagen. Dieser Ansatz ermöglicht es, alle relevanten Schädigungsprozesse und deren stochastische Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass DBN ideal dafür geeignet sind, Bayes'sche Aktualisierungen auf Grundlage von Informationen aus Inspektionen und Überwachungsmaßnahme auf eine effiziente und robuste Art und Weise durchzuführen. Der DBN-Ansatz ist deshalb für die Entwicklung von Software für das Erhaltungsmanagement von alternden Brückenbauwerken, die vom Benutzer keine vertieften Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie verlangt, ideal geeignet. Für die Modellierung der Standsicherheit eines alternden Kastenträgers wird vereinfachend Biegeversagen des globalen Längssystems betrachtet. Zur Berechnung der maximalen Traglast eines Kastenträgers infolge des Systemschädigungszustandes wird ein plastisch-plastisches Verfahren eingesetzt, wobei die Beanspruchungen mittels der Fließgelenktheorie unter Ausnutzung der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte des Kastenträgers ermittelt werden. Ein Kastenträger versagt, wenn sich durch die Ausbildung einer ausreichend großen Anzahl von Fließgelenken eine kinematische Kette ausbildet. Dieser Modellierungsansatz berücksichtigt Redundanzen, die sich aus der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte und der statischen Unbestimmtheit eines Kastenträgers ergeben. Zum Nachweis der praktischen Einsetzbarkeit des entwickelten Systemmodells wurde ein Software-Prototyp entwickelt, der eine intuitiv benutzbare graphische Benutzeroberfläche (Front-End) mit einem Berechnungskern (Back-End) koppelt. Die aktuelle Version des Software-Prototyps implementiert ein Modell der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion und ein Tragwerksmodell, welches das Verfahrens der stetigen Laststeigerung zur Bestimmung der maximalen Traglast des Kastenträgers auf der Grundlage eines Finite-Elemente-Modells umsetzt. Zur Durchführung von Bayes'schen Aktualisierungen des Systemschädigungszustandes auf der Grundlage des DBN-Modells implementiert der Prototyp den Likelihood-Weighting-Algorithmus. Die entwickelte Architektur des Prototyps ermöglicht eine Erweiterung der Software um weitere Schädigungsprozesse. Der entwickelte Software-Prototyp ermöglicht Benutzern ohne vertiefte Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie eine Berechnung des Einflusses von Bauwerksinformationen auf den Systemschädigungszustand und die Tragsicherheit eines Kastenträgers. Auf dieser Grundlage können effiziente Inspektions- und Überwachungsmaßnahmen identifiziert und das Erhaltungsmanagement optimiert werden.
We present a concept for assessing the system reliability of monitored jacket support struc-tures of offshore wind turbines subjected to fatigue. The concept assumes that a structural health monitoring system periodically records accelerations of the jacket structure caused by ambient excitations. The recorded data is processed by a stochastic subspace-based damage detection algorithm to provide information on the global damage state of the jacket structure. This information is generally uncertain. To determine the effect of such uncertain global monitoring information on the structural reliability, the deterioration state of the jacket structure is described by a probabilistic fatigue deterioration model of all structural elements, which considers stochastic dependence among element fatigue behavior. The system deterioration model is coupled with a probabilistic structural model to compute the system failure probability. Global damage detection information is included in the reliability assessment through Bayesian updating of the system failure probability.
Die BAM erforscht mit Partnern an der TUM und DTU Methoden und Modelle für ein optimiertes Tragwerksmanagement von Infrastrukturbauwerken. Im Rahmen des vom BMVI und der BASt aufgelegten Projektclusters „Intelligente Brücke“ wurde ein Software-Prototyps zur zuverlässigkeitsbasierten Bewertung eines konkreten Spannbetonüberbaus unter Berücksichtigung von Inspektionen und Überwachungssystemen entwickelt. Der entwickelte Software-Prototyp ermöglicht Benutzern ohne vertiefte Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie eine Berechnung des Einflusses von Bauwerksinformationen auf den Systemschädigungszustand und die Tragsicherheit. Auf dieser Grundlage können effiziente Inspektions- und Überwachungsmaßnahmen identifiziert und das Erhaltungsmanagement optimiert werden.