Giornata di studio MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI Stato dell’arte e prospettive 14 febbraio 2019
Roma, Sala Conferenze ENEA
BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS
Paolo Clemente, PhD
Structural Engineer, Research Director
MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 INTRODUCTION
“Building a bridge is a war against the forces of nature”
“When you build a bridge, you build something for all time”
“Bridges are a monument to progress” (Joseph Strauss)
The history of bridges is the history of humankind
2 PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 STONE ARCH BRIDGES
A terrific progress in the construction of bridges was due to the most important invention in the history of constructions:
the arch
The arch made use of no-tension materials possible, such as masonry,
Masonry arches were the most used structural type in bridge design and construction up to few decades ago
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The Rainbow Bridge over the Bridge Creek in the Navaho Reserve in the
South-Utah is a natural arch, discovered in 1909 and declared National
Monument in 1910. It has a height of 94 m, a span of 85 m and a thickness
at crown of 13 m.
Paolo Clemente 4 PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 PONTES ET PONTIFICES The construction of the bridges was a religious art The college of pontiffs presided over the construction of bridges
Stone, bricks, pozzolana Semicircular arches ► Short spans
Ponte Leproso on the Appia Road, crossing the Sabato River in Benevento
Paolo Clemente 5 PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 CHINESE BRIDGES Changhung Bridge, 1961 over the Nanpan River, in Yunnan, L = 112.5 m
Chiuhsikou Bridge, 1972 at Fengtu, in Szechuan, L = 116 m
Dan River Bridge, 2000 on the expressway from Jicheng, in Shanxi, to Jiaozuo, in He’an L = 146 m, 82 m height
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PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 GAUTIER, 1714: FIRST TREATISE ON BRIDGES
Henri Gautier : wrote the first treatise on bridges in 1714 suggested some rules for the design of arches underlined the importance of the thrust but did not give any indications on how to calculate it
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 LIMIT ANALYSIS / ELASTIC ANALYSIS Claude Antoine Couplet (1730) and La Hire (1731) theoretical analyses and experimental tests to determine the state of the arch at collapse: he thrust line and of the Claude-Louis Navier (1826) collapse mechanisms. the line of thrust should be within the middle third of the depth to prevent tension and to avoid the formation of Poleni (1748) cracks interpretation of the cracks developed in the Michelangelo’s dome of San Pietro in Rome, which divided E. Méry (1840): the dome into separated tapering arches. the line of thrust should be contained in the middle-third
and passes through its upper limit at crown and its lower Charles A. Coulomb (1773) and L. limit at the other two collapse joints, which are next to the Mascheroni (1785) springings at the end of the eighteenth century the static of a masonry arch was known. Rankine (1862), Hagen and Winkler
Emilian Marie Gauthey (1814) and (1879) search of the line of thrust minimising the sum of squared Lamé and Clapeyron (1823) of the distances from the line of pressure to the centre line In the nineteenth century the attention was focused on practical aspects. C.A. Castigliano (1879) L.C. Boistard (1800) developed the method of minimum strain energy to determine the actual line of thrust tests on model voussoir arch bridges Ponte Mosca over the Dora Riparia River in Turin 1827, span 55 m, sag 5.5 m
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Heyman (1966): arch composed of stone voussoirs laid dry without mortar • Sliding failure cannot occur • Stone has no tensile strength • Compression strength is infinite
Clemente, Occhiuzzi & Raithel (1995): Limit behaviour of stone arch bridges
Clemente & Saitta (2016): Finite compression strength
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Garabit Viaduct over the Truyère river 1884, L = 165 m Sydney Harbour Bridge, 1932 H = 120 m L = 503 m, f = 107 m Design: Gustave Eiffel
Ponte Risorgimento over the Tevere river 1911, L = 100 m, f = 10 m F. Hennebique technique
Salgina Bridge, at Schiers 1930, L = 90 m Design: Robert Maillart
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Wanxian Bridge, 1997 over the Yangtze River L = 420 m, f = 85 m
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Chaotianmen Bridge, Chongqing , 2009 L = 552 m The longest arch bridge in the world
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Similar bridge: Ponte Maria Cristina di Savoia, 1835 on Calore river, near Solopaca, Opened by Ferdinando II delle Due Sicilie
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New York, 1932 L = 1067 m
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San Francisco, 1937 L = 1280 m
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New York,1964 between Brooklyn and Staten Island L = 1298 m the longest bridge in USA
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Humbershire, 1981 L = 1410 m
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Kobe, 1998 L = 1991 m The longest span in the world
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Istanbul, 1973 1074 m
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p2 b2 w p1 b1 w
w wp gAc
2 peq p1 p2 1 4c1
k f l cosm
b wp peq gAc 9 8 8 7 lim
) 6 k s g 1 b 0.8
s/g 5 0.6
/(k 4 lim
l 0.4 3 p/w 2 0.2
1 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 l (m) 0 1 2 3 4 5 6 7 b (Clemente, Nicolosi & Raithel, 2000)
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Marine terraces
Notches (Antonioli et al, 2003; Clemente, 2004)
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w g c Ac l0
2000 E*/E = 0.95 tan = 0.4 P = 1 MN 0.9 1500 0.85
0.8
(MPa)
s 0.75
1.0 0.7 tan = 0.4 1000 P = 1 MN 0.65
E*/E 0.6
0.5 500 0 0.0 0 0.05 f/ 0.1 0 0.05 f/ 0.1 (Clemente, 1998)
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Theodor Heuss Bridge, 1953-1957 Also known as the Nordbrücke (North bridge), over the Rhine River in Düsseldorf L = 260 m, side spans 108 m It was the first cable-stayed bridge built in Germany
Fan or harp ?
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On the Maracaibo lake, Venezuela, Reinforced and prestressed concrete opened on 24 August 1962 L = 235 m Tower = 92 m
Michel Virlogeux: “the Lake Maracaibo Bridge deserves to be part of the series of the most famous bridges over the world, with the Golden Gate Bridge, the bridge over the Firth of Forth, the Brooklyn Bridge, and the Garabit Viaduct”.
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Wadi al-Kuf Bridge, crosses the Kouf Valley, Libya, 1965- 1972 R. Morandi L = 282 m, H = 160m
Rande Bridge near Vigo, Spain, 1978-1981 F. De Miranda, A. Passaro L = 401 m, Pylons = 148 m
Italian bridge schools competing
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1000 Si (t) Kx=0.001 Kx=0.003 l=500 800 Kx=0.03 M EI x Kx=1 C0 K x 2 600 Ws h Forces in the cables 400 l 2l E g l W w w r s s s n s n
200 * 2 2 * E 1 a 1 4 l r E 1 a t 0 ti E 4h cos 0 E sen i 0 1 6 11 16 21 z 26
-200
Redundancy ?? • Anchor cables: Equilibrium at the top of the pylons Range of variability of the forces • Deformability D’Apuzzo & Clemente 1983, 1990
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Skarnsund Bridge Concrete cable-stayed bridge that crosses the Skarnsundet strait, Norway. 1991, Main span 530 m, Pylons 152 m (the longest of its type in the world for two years) In 2007, it was listed as a cultural heritage
Yangpu Bridge in Shanghai, China 1993, Main span 602 m, Pylons 223 m Width 30.35 m As of 2006, it carries more than 100,000 vehicles per day
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Normandy Bridge, 1995 over the river Seine, northern France L = 856 m At that time it was the longest cable- stayed bridge in the world
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Sutong Yangtze River Bridge, 2008 L = 1088 m Cable-stayed bridge with the longest main span in the world up to 2012 The bridge received the 2010 Outstanding Civil Engineering Achievement award (OCEA) from ASCE
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Russky Bridge, 2012 Vladivostok, Russia L = 1104 m, Cable length 580 m il ponte strallato più lungo al mondo The bridge connects the Russky Island and the Muravyov-Amursky Peninsula la progettazione ha dovuto tener conto delle severe condizioni climatiche, con temperature che variano da −31 a +37 °C e formazione di ghiaccio di notevole spessore, velocità del vento che arriva fino a 36 m/s e onde di 6 m; l’impalcato è largo 29.5 m e contiene due corsie per ciascun senso di marcia.
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 MILLAU VIADUCT, 2004
It spans the valley of the Tarn near Millau in southern France L = 342 m Structural design: Michel Virlogeux It is the tallest bridge in the world (structural height of 343 m)
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Freq. Experimental F.E.M. freq. Damping F.E.M. without freq. (Hz) (Hz) (%) cables (Hz)
f1 0.90 0.87 3.1 0.79
f2 1.30 1.33 1.6 1.02
f3 2.50 2.34 0.1 -
f4 - 2.68 - 2.29
f5 2.69 2.76 1.5 2.75
f6 2.78 2.80 1.5 2.79
(Clemente P., Marulo S., Lecce L., Bifulco A., 1998)
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PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 INDIANO CABLE-STAYED BRIDGE, FLORENCE over the Arno River in Florence completed and opened to the traffic in 1977 The main span is 189.1 m Design: F. De Miranda
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 THE GIRDER In the central portion of the girder (zone M), whose length is 128.1 m, two boxes spaced of 6.0 m compose the cross-section. They are linked one to another, at the upper and lower levels, by means of truss structures. As a result, the beam is characterized by large torsional stiffness. The boxes have a width of 4.0 m and a height variable from 2.6 m to 1.6 m.
Cantilever beams start from the boxes to support the external portion of the road. In the zones near the ends (zones L and R) the cross- section becomes a three boxes cross-section.
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Seismometers were temporarily installed in different locations in 11 different configurations
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4
3 2 1 A finite element model of the bridge was developed using the geometrical and mechanical z characteristics of the bridge from the structural y x design drawings
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1 0.61 Deck Vertical 0.61 2 0.64 Deck Longitudinal 0.81 3 0.77 Deck Transverse 0.87 4 1.12 Deck Torsion & Tower Trans. 1.04 5 1.13 Deck Torsion & Tower Trans 1.15 6 1.37 Tower Longitudinal 1.41 7 1.62 Deck Vertical 1.61 8 2.41 Deck Longitudinal 2.25 9 3.09 Deck Transverse 2.61
(Clemente P., Celebi M., Bongiovanni G., Rinaldis D., 2004)
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 STATIC AND DYNAMIC ANALYSIS Parameter Response Static spectrum analysis analysis (live loads)
Deck maximum vertical displacement uz (m) 0.100 0.469
Deck maximum longitudinal oscillation ux (m) 0.040 0.006
Beam maximum transversal displ. uy (m) 0.090 0.048
Tower maximum transversal displ. uty (m) 0.074 0.026
Tower longitudinal displacement utx (m) 0.025 0.100
Beam maximum bending moment My (MNm) 112 246
Beam maximum bending moment Mz (MNm) 1292 657
Maximum force in the anchor stay So (MN) 6.1 24.4 (for each rope)
Maximum force in the longest stay Sm (MN) 5.9 19.9
Maximum axial force in the tower Np (MN) 40.4 158
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PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 MUSIC BRIDGE, ROME
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3rd Slab
1st Slab
Courtesy M. Caponero
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 PROPOSALS FOR THE FUTURE TISMAD Project (2008) – ENEA, POLITO et al • According to estimates, the cost for the infrastructures maintenance for the next 20 years will be about € 11 billion per year • It is estimated that about 30% of bridges show structural problems, which could result in collapses. Scouring and material degradation are the most common causes of collapse • The incidence of maintenance costs is getting more and more important than the cost of construction of new infrastructures. There is a clear and urgent need for a reduction of the costs of maintenance
• Knowledge of all the existing bridges • Experimental analyses and evaluation of their structural health status • Static and dynamic monitoring • Preventive maintenance on request based on monitoring, in which the health status of the bridge and its component is continuously controlled and the intervention is made on the basis of the effective level of damage
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 CONCLUSIONS
Increase of • dimensions of the ships Clearance for shipping • volume of marine traffic
Advantages : • Lower cost of horizontal structures compared to foundations in water • Less risk of collision of boats against the pylons
The war against the forces of nature will continue
When you will build a bridge, you will build something for all time
Bridges will be always a monument to progress
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DI PONTI E VIADOTTI: STATO DELL’ARTE E PROSPETTIVE Sala Conferenze ENEA, Lungotevere Thaon di Revel 76, Roma – 14 febbraio 2019 END
«Build bridges, not walls» (Francesco)
PAOLO CLEMENTE – BRIDGES: MONUMENT TO PROGRESS