Ottimizzazione e miglioramento del comportamento a fatica di ponti a piastra ortotropa

Orthotropic deck bridges are widely used in bridge engineering, especially for long span bridges. Although orthotropic deck bridges have many advantages, it is found that they are sensitive to produce fatigue cracking under the repeating vehicle loading since there are a large number of welded connections in the deck structure. Among of these connections, rib-to-deck plate connection, rib-to-diaphragm connection and rib-to-diaphragm-to-deck plate (RDDP) connection are the three typical welded connections that are more sensitive to the fatigue cracking due to the high concentrated stress and high residual stress. Fatigue analysis of an orthotropic deck is a complex and uncertain process due to many factors which can influence the fatigue cracking. A state-of-the-art literature review of the fatigue codes/specifications was conducted to identify their advantages, disadvantages and limitations in this study. Meanwhile, the stress performances of a typical orthotropic deck were analyzed through Finite Element analysis (FEA) and, then, the fatigue resistance evaluation was carried out by the structural hot spot stress method. In addition, a fatigue improvement technique, the Fluid Bed Peening (FBP) was illustrated, and fatigue tests of the specimens treated by FBP were conducted in the laboratory. The primary two goals of this study are to analyze the stress performances of the orthotropic deck and to develop an approach for improving the fatigue behaviors through FE method and analytical techniques, by doing parametric studies of various geometric parameters and the structural hot spot stress method. Many FE models were developed in order to analyze the stress influences of cutout geometry, with or without bulkhead, and the thickness of deck plate. The different applied loadings, which to simulate the different vehicle locations on the pavement, were used in order to obtain the maximum stress range. Then, submodels were developed based on the global analyses in order to obtain accurate stresses for calculating fatigue resistance, using the structural hot spot stress method. The fatigue analysis was done by the use of the structural hot spot stress method to quantify stress ranges for which there is no “nominal stress” database (that which is available in design codes for stress away from the concentration). Based on the analyses, a three-step approach is concluded and some suggestions are provided to bridge designers in this study which can be helpful for improving the design of orthotropic decks. Furthermore, a relatively new fatigue enhancement technique, FBP, is discussed based on simple fatigue tests. FBP as a technique of surface treatments can definitely improve the surface performance, and demands less operational parameters. Fatigue tests of four different groups were carried out under cyclic constant amplitude fatigue loading in the laboratory in order to study the effect of treatment of FBP. It is found that FBP not only can improve the fatigue life, but also sometime can remedy small fatigue cracks.

Gli Orthotropic deck bridges sono ampiamente usati nell’ingegneria dei ponti, soprattutto per i ponti di grande luce. Anche se gli orthotropic deck bridges presentano molti vantaggi, si è scoperto che essi sono particolarmente vulnerabili nei confronti ai fenomeni di fatica che provocano la formazione di incrinature per i carichi ciclici dei veicoli quando esiste un elevato numero di connessioni saldate nella struttura dell’impalcato. Tra queste tipologie di connessioni le rib-to-deck plate, i rib-to-diaphragm e i rib-to-diaphragm-to-deck plate (RDDP) sono le tre connessioni saldate più ricorrenti che sono più sensibili a fenomeni di incrinatura da fatica a causa di alte concentrazioni di tensioni e di valori elevati di tensioni residue. L’analisi a fatica di un orthotropic deck bridge è un processo complesso e incerto a causa dei numerosi fattori che possono influenzare il cracking a fatica. Nel presente lavoro è stato condotto uno studio sullo stato dell’arte della letteratura corrente e delle normative e delle istruzioni sul comportamento a fatica, per conoscere meglio i vantaggi e gli svantaggi, nonché le limitazioni di questa tipologia strutturale. Inoltre, è stato analizzato lo stato tensionale di un tipico orthotropic deck mediante un codice agli elementi finiti (FEA) ed è stato possibile valutare la resistenza a fatica attraverso il metodo dello “structural hot spot stress”. È stata studiata approfonditamente la tecnica Fluid Bed Peening (FBP) per il miglioramento a fatica, ed in presto sono stati condotte prove a fatica in laboratorio su campioni trattati con FBP. I due obiettivi principali di questo studio sono stati quelli di analizzare la risposta tensionale degli orthotropic deck bridges e di sviluppare un approccio per migliorare i comportamenti a fatica attraverso il metodo FE e le tecniche di analisi, attraverso gli studi parametrici sulle caratteristiche geometriche e il metodo di structural hot spot stress. Numerosi modelli FE sono stati sviluppati al fine di analizzare l’influenza delle tensioni su ritaglio di geometria, con o senza paratie, e lo spessore del deck plate. Sono stati applicate diverse condizioni di carico, che sono state usate per simulare le diverse posizioni dei veicoli sulla carreggiata, in modo da ottenere i valori tensionali massimi. Inoltre, sono stati sviluppati sottomodelli sulla base di analisi globali al fine di ottenere accurate sollecitazioni per il calcolo della resistenza a fatica, utilizzando il metodo dello structural hot spot stress. L'analisi a fatica è stata condotta con l'uso del metodo di structural hot spot stress per quantificare il range di tensioni per i quali non vale la “tensione nominale" da normativa (quella che è disponibile nei codici di progettazione per lo stress di distanza dalla concentrazione). Sulla base di queste analisi, è stato condotto un approccio in tre fasi e sono indicati alcuni suggerimenti per supportare i progettisti nel dimensionamento e verfica degli orthotropic deck bridges. Inoltre, è stata utilizzata una tecnica relativamente nuova, FBP, per il miglioramento degli elementi strutturali soggetti a fatica. Infatti l’FBP, come tecnica di trattamento della superficie, può migliorare significativamente le prestazioni degli elementi strutturali soggetti a fatica, e richiede meno parametri operativi. Sono state eseguite prove a fatica su quattro diversi gruppi, sotto carico ciclico di ampiezza di fatica costante in laboratorio per studiare l'effetto del trattamento di FBP. Il risultato è che che l’FBP non solo può migliorare il comportamento a fatica, ma a volte può anche porre rimedio a piccole cricche provocate dai fenomeni a fatica.