Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Département de génie civil (Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages MCS)

Modèle d'évolution de l'état des ponts-routes en béton

Roelfstra, Guido ; Brühwiler, Eugen (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2310.

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    Summary
    The management of existing road infrastructures is a multidisciplinary activity that involves structural engineering, material science, management, economics and ecology. The objective is to achieve maximum availability of road links at minimum societal costs. Recently, tools (Bridge Management Systems, BMSs) have been developed to help decision makers to determine the optimal management strategies within available resources. The condition development model is a key element of the BMSs. Currently this model is using empirical approach making use of data collected during inspections and is formulated with Markov chains. The assessment units are structural elements and these are classified into condition classes according to their visual appearance. The condition assessment is therefore rather subjective since no measurements are involved in it. Consequently, the condition development based on visual inspections will reflect this subjectivity. In order to improve the objectivity of condition forecasts physical and chemical phenomena governing deterioration has to be incorporated in the condition development model. Observations made on a bridge sample representative of the Swiss highway bridges showed that chloride-induced corrosion is the main deterioration mechanism. For this reason this research was focused upon modeling the chloride-induced corrosion. In this research, the condition development model is established, based physical and chemical phenomena involved in chloride induced corrosion. This analytical model is able to yield quantitative results on condition development. Accuracy and availability of input data govern the level of accuracy of such an analytical model. The existing knowledge on chloride induced corrosion and inspection techniques available on site are examined in order to develop a simple and reliable condition development model. Firstly, non-destructive testing methods are used in addition to visual observations, to determine quantitative values (permeability and thickness of the concrete cover) of parameters governing the segment deterioration. The structural elements are divided into areas i.e. segments where the parameters governing chloride-induced corrosion are assumed to be constant. It is proposed to divide structural elements into segments based on three concrete cover permeability classes, concrete cover thickness and three types of surface exposures to chloride contaminated water. Secondly, a chloride transport model is developed to simulate the real exposure of reinforcement to chloride contaminated water, taking into consideration the transport mechanisms of water and chloride ions. Simulations are performed for the various segment parameters that have been identified in the segmental approach. Thirdly, a relation is established between the free chloride ion content and the corrosion initiation probability. Using the results of the chloride transport model, the development of the corrosion initiation is determined for road bridges segments. An analysis is made to predict the corrosion initiation time of existing bridges as a function of their segment parameters (exposure and concrete cover permeability and thickness), but also to establish recommendations for the construction of new bridges. Fourthly, the corrosion rate i.e. loss of steel cross-section is then determined according to the concrete cover permeability and the exposure to chloride contaminated water. Fifthly, the results of the presented mode1 are mapped to conditions States as defined in the BMSs. Three degradation matrices (Markov chains) are determined, corresponding to three condition developments: favorable, normal and unfavorable. The three condition developments can be estimated for given quantitative values of the concrete cover permeability, thickness and surface exposure to chloride-contaminated water. In this way, the segment parameters may be used in BMSs to forecasts future condition of segments, elements and the whole structure. Finally the structural behaviour of the concrete road-bridges until failure is studied. The determinant failure scenarios are identified for each bridge type and a case study is performed on the sample representative for the Swiss highway bridges. For this purpose the determinant segments for the structural safety are identified. Additionally the required concrete cover depth for a service life of 50 and 100 years is expressed as a function of the permeability and the exposure to chloride contaminated water. This research outlines the need to measure the concrete cover permeability and thickness with non-destructive test methods as well as to determine the exposure to chloride contaminated water. These values are essential to predict the condition development of concrete road bridges.
    Résumé
    La maintenance d'infrastructures existantes est une activité pluridisciplinaire qui comprend aussi bien les domaines de l'ingénierie en structures, de la science des matériaux, de la gestion que de l'écologie. L'objectif est de garantir la fiabilité du réseau routier en minimisant les coûts pour la société. Récemment, des logiciels de gestion (Bridge Management Systems, BMSs) ont été développés pour aider les preneurs de décision à déterminer la stratégie optimale selon les ressources financières disponibles. Le modèle d'évolution de l'état est un élément clé des BMSs. Actuellement, ce modèle utilise une approche empirique, qui se base sur les données relevées au cours des inspections, et il est formulé selon les chaînes de Markov. Les unités d'évaluation sont les éléments structuraux et ceux-ci sont classés selon des conditions d'état en fonction de leur apparence visuelle. Pour cette raison, l'évaluation de l'état est plutôt subjective puisque aucune mesure n'y est impliquée. En conséquence, l'évolution de l'état basée sur les inspections visuelles reflètera cette subjectivité. Afin d'améliorer l'objectivité de la prédiction de la condition d'état, les phénomènes physiques et chimiques, qui gouvernent la détérioration, doivent être incorporés dans le modèle d'évolution de l'état. Les observations faites sur un échantillon de ponts représentatifs du parc des ponts des routes nationales suisses a montré que la corrosion en présence de chlorures est le mécanisme de détérioration prépondérant. Pour cette raison, ce travail de recherche se concentre sur la modélisation de la corrosion en présence de chlorures. Dans cette recherche, un modèle d'évolution de l'état basé sur les phénomènes physiques et chimiques impliqués dans la corrosion en présence de chlorures est développé. Ce modèle analytique est capable de donner des résultats quantitatifs de l'évolution de l'état. La qualité et la disponibilité des données déterminent le niveau de précision d'un tel modèle analytique. Les connaissances actuelles sur la corrosion en présence de chlorures et les techniques d'inspection in-situ disponibles sont utilisées afin de développer un modèle d'évolution de l'état simple et fiable. Premièrement, des méthodes d'auscultation non-destructives sont utilisées, pour déterminer la perméabilité et l'épaisseur du béton d'enrobage en complément aux inspections visuelles pour déterminer des valeurs quantitatives des paramètres gouvernant la détérioration. Les éléments structuraux sont divisés en zones (c.-à-d. segments) où les paramètres sont présumés constants. Il est proposé de diviser les éléments structuraux en segments en se basant sur trois classes de perméabilité du béton d'enrobage, l'épaisseur du béton d'enrobage et trois expositions types aux eaux chargées de sel de déverglaçage. Deuxièmement, un modèle de transport (pénétration) des ions chlorures est développé pour simuler l'exposition réelle de l'armature aux eaux chargées de sel de déverglaçage. Ce modèle tient compte des différents mécanismes de transport de l'eau et des ions chlorures. Des simulations sont effectuées pour les divers paramètres des éléments qui ont été identifiés. Troisièmement, une relation est établie entre la teneur en chlorures libres et la probabilité d'initiation de la corrosion. En utilisant les résultats du modèle de pénétration des ions chlorures, l'évolution de la probabilité d'initiation est déterminée pour les segments des ponts-routes. Une analyse est effectuée pour prédire le temps d'initiation des ponts existants en fonction des paramètres de leurs segments (exposition, perméabilité et épaisseur du béton d'enrobage), mais aussi pour établir des recommandations pour la construction de nouveaux ponts. Quatrièmement, la vitesse de propagation de la corrosion (c.-à-d. la perte de section) est déterminée en fonction de la perméabilité du béton d'enrobage et de l'exposition aux eaux chargées de sel de déverglaçage. Cinquièmement, les résultats du modèle présenté sont formulés selon les conditions d'état telles qu'elles sont définies dans les BMSs. Trois matrices de dégradation (chaînes de Markov) sont déterminées correspondant à trois conditions d'évolution : favorable, normale et défavorable. Les trois conditions d'évolution peuvent être estimées pour des mesures quantitatives de la perméabilité, de l'épaisseur du béton d'enrobage et de l'exposition aux eaux chargées de sel de déverglaçage. Ainsi, les paramètres des segments peuvent être utilisés dans les BMSs pour prédire l'évolution de l'état des segments, des éléments et de la structure dans son ensemble. Finalement, le comportement structural des ponts-routes en béton jusqu'à leur ruine est étudié. Les scénarios déterminants sont identifiés pour chaque pont type et une étude de cas est menée sur l'échantillon de ponts représentatif du parc des ponts des routes nationales suisses. En plus, l'épaisseur de l'enrobage requis pour une durée d'utilisation de 50 et 100 ans est exprimée en fonction de la perméabilité et de l'exposition aux eaux chargées de sel de déverglaçage. Cette recherche met en évidence le besoin de mesurer la perméabilité du béton d'enrobage et son épaisseur avec des méthodes d'auscultation non-destructives et de déterminer l'exposition aux eaux chargées de sel de déverglaçage. Ces valeurs sont essentielles pour prédire l'évolution de l'état des ponts-routes en béton.