an investigation of methodologies to determine - ETH E

DISS. ETH NO. 22567
AN INVESTIGATION OF METHODOLOGIES TO DETERMINE THE
MOST SUSTAINABLE BRIDGE WORK PROGRAMS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
ZANYAR MIRZAEI
M.Sc., University of Tehran
B.Sc., University of Kurdistan
born on 20.04.1980
citizen of Iran
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Bryan T. Adey
Prof. Dr. Rade Hajdin
Dr. Reed Ellis
Prof. Thomas Vogel
2015
Abstract
F. ABSTRACT
Bridges are vital objects in public road networks. Since they deteriorate over time, maintenance is
required to ensure that they continue to provide desired levels of performance. Over the past few
decades an increasing number of computer-aided bridge management systems have been developed and
used to manage large numbers of bridges around the world (Mirzaei, Adey, Klatter, & Thompson,
2014).
One of the main functions of these systems is to assist bridge managers in the determination of candidate
work programs for their bridges. It is beneficial if these candidate work programs are optimal, i.e., work
programs that result in the lowest negative impacts. The systems that determine optimal work programs
have principally defined the optimal work program as being the one that results in the lowest economic
impacts incurred by the owner of the infrastructure, i.e., impacts directly related to the execution of
interventions. Owners, however, are not the only stakeholders affected by bridge performance. There
are also, for example, the users of the bridge who can be negatively affected by poor bridge
performance.
Keeping these other stakeholders in mind, optimal work programs for bridges should be the ones that
result in the lowest overall negative impacts on all stakeholders. The reduction of all negative impacts
to all stakeholders for now and the future, if not minimisation, is a concept that is increasingly being
considered in many fields in the past few decades, and is often referred to as sustainability. With the
current state-of-the-art bridge management systems and the increasing desire for sustainability in the
management of infrastructure, bridge managers should be provided with the tools and methodologies
that can help them determine the most sustainable work programs for their bridges.
The determination of the most sustainable work programs for bridges is challenging. One of the reasons,
at least with regards to how optimal work programs are developed in the state-of-the-art systems, is that
not all the impacts to all of the stakeholders can be attributed directly to the elements of the bridge
taking into consideration their conditions (e.g., the direct impacts related to the amount of concrete that
is required to repair a concrete abutment or the amount of paint that is needed to be applied to the steel
girders). The impacts incurred by, for example, the user of the bridge, can only be indirectly related to
the elements, as they depend on how all of the elements of the bridge work together as a whole (e.g.,
the additional travel time of the users due to inevitable speed reduction due to the excessive unevenness
of the road surface), and on the decisions made related to the expected performance of the whole bridge
(e.g., the impacts directly related to the traffic control efforts required to close a lane of a bridge during
an intervention).
The objectives of this thesis were:
-
-
to evaluate existing state-of-practice and state-of-the-art methodologies for the determination
of optimal work programs for typical road bridges with respect to their ability to be used to
determine the most sustainable work programs, and
to give guidance as to how such methodologies should be modified in the future so that they
can determine the most sustainable work programs.
The evaluation of the existing methodologies was done taking into consideration impact types that could
be associated directly to the elements and impact types that could be related only directly to the bridge
as a whole.
-xv-
Abstract
The methodologies investigated included one that is considered to be representative of the current stateof-practice and two that appear to be the most promising from literature, i.e., the state-of-the-art. The
state-of-practice methodology (SOP) is one that uses knowledge-based models and Markov chains to
determine optimal intervention strategies for the elements of the bridge and then determines the
interventions to be included in the work program based on the probable condition of the element at each
time being considered and the interventions to be executed on the elements at that time according to the
optimal intervention strategies. One of the state-of-the-art methodologies, the structural performance
state methodology (SPM) is one that uses Markov chains to determine optimal intervention strategies
for the bridge as a whole and then determine the interventions to be included in the work program based
on the probable condition of elements at each time being considered and the interventions to be executed
at that time according to the optimal intervention strategies. The other state-of-the-art methodology, the
joint replenishment methodology (JRM) is one that uses inventory theory to determine optimal work
programs for bridges by first fixing the groups of elements to have interventions at the same time and
then determining the optimal regular intervals based on which to execute interventions on the bridge.
The methodologies were investigated by using each of them to determine the optimal work program for
a steel box girder bridge with a reinforced concrete bridge deck. The impact types considered were the
same for all three methodologies, and included some that were attributable to the elements, and others
that were attributable to the bridge. The former included the impacts on the owner during the executing
interventions, e.g., labor and material costs. The latter included the impacts on the user and public, both
during the execution of interventions and between the execution of interventions, including travel time
costs, vehicle operation costs, accidents costs, sound emission costs, air pollution costs, and climate
costs.
The work programs developed using these three methodologies were compared with the work program
developed using a proposed methodology which, although perhaps currently difficult to implement in
an existing computerised management system, takes into consideration both element and bridge level
impacts in appropriate ways. This is done by investigating all possible times between the execution of
interventions on all combinations of groups of elements, and taking into consideration the contribution
that each group of elements makes towards overall bridge performance. In the proposed methodology,
the investigated time period is divided into the possible intervention intervals or intervention interval
sets, and the relationship between the elements and the bridge performance is modeled using
performance limit state functions for the relevant element groups.
Through conducting the investigation, it was seen that each existing methodology has both strengths
and weaknesses.
The SOP is relatively fast but can only take into consideration bridge level impacts by either attributing
them as a percentage increase to the element level impacts when determining the optimal intervention
strategies or by attributing them on a bridge by bridge basis in the development of the work program.
The latter of which makes it theoretically possible to take into consideration reduced impacts from the
execution of interventions on multiple elements simultaneously but practically very difficult. The
appropriate consideration of the values of impacts related to bridge performance between interventions
is not possible.
The SPM can appropriately model both element level and bridge level impacts by having average values
of each impact type estimated for each structural performance state and then associated all of the
element and bridge level impacts to each of these both during and between interventions in the
-xvi-
Abstract
determination of the optimal bridge intervention strategies, from which the optimal work programs are
derived, but it is computationally intensive.
The JRM can model both element level and bridge level impacts both during and between interventions
by directly associating them to the elements and element groups. The direct link between the bridge
level impacts and elements is, however, still necessary when the elements are to be treated individually.
Although each model run is relatively quick, a large number of simulations would need to be done to
appropriately capture the uncertainty associated with the future and, therefore, to determine the work
programs that are truly optimal. The JRM investigated in this work, has the additional weakness that it
is linear which makes it necessary to over- and underestimate the impacts.
In the comparison of the investigated methodologies with the proposed methodology, it was found that
all four produced relatively different work programs, but little variations in the total impacts. This is
partially attributable to how the candidate work programs were selected in each methodology. It is,
however, also partially attributable to the fact that there are many near-optimal work programs, at least
for the example selected, in which there was relatively little traffic and a detour of sufficient capacity
and short length so that there were not large impacts related to deviated traffic flow when an intervention
was executed. Of the four methodologies compared, the proposed methodology was the one that
resulted in the lowest overall impacts.
In its entirety, the research showed that it is difficult to use state-of-practice methodologies to determine
the most sustainable work programs. This is mainly due to their element oriented focus. There are,
however, some promising methodologies to be found in research of which, one is the investigated SPM.
The research also showed that even more improvements are possible, at least from the conceptual point
of view, by modelling the behaviour of the bridge as a whole more exactly. Coupled with such
modelling efforts, however, are the substantial computing issues that first need to be resolved before
methodologies (using this amount of detail) could be integrated into existing bridge management
systems.
Future research in this area should, therefore, be focused on the determination of ways to allow the
required modelling but drastically faster. Such research will most likely include the investigation of
simplified models to link the bridge performance states to the value of impacts and also the development
of appropriate search algorithms to eliminate the need for exhaustive searches, but that can still find the
most sustainable work programs.
-xvii-
Zusammenfassung
G. ZUSAMMENFASSUNG
Brücken sind essenzielle Objekte öffentlicher Verkehrsnetzwerke. Da Brücken mit der Zeit verfallen,
ist ihre Instandhaltung erforderlich, um sicher zu stellen, dass sie weiterhin das gewünschte
Leistungsniveau erbringen. In den letzten Jahrzehnten wurden vermehrt computerunterstützte
Brückenmanagementsysteme entwickelt und für die Instandhaltung einer Grosszahl der Brücken rund
um die Welt eingesetzt (Mirzaei, Adey, Klatter, & Thompson, 2014).
Eine der Kernfunktionen dieser Systeme ist die Unterstützung des Infrastrukturmanagers bei der
Entwicklung von Arbeitsprogrammen für seine Brücken. Es ist von Vorteil, wenn diese
Arbeitsprogramme optimal sind, d.h. die geringsten negativen Einwirkungen haben. Systeme, die
optimale Arbeitsprogramme entwickeln, definieren das optimale Arbeitsprogramms als dasjenige mit
den wirtschaftlich geringsten Einwirkungen für den Eigentümer des Objekts. Dies können
Einwirkungen sein, die direkt durch die Ausführung einer Massnahme entstehen. Die Eigentümer sind
jedoch nicht die einzigen Stakeholder, die durch die Leistungsfähigkeit der Brücke beeinflusst werden.
Die mangelhafte Leistungsfähigkeit der Brücke (Brückenperformance) kann zum Beispiel auch
negative Einwirkungen auf den Nutzer haben.
Das optimale Arbeitsprogramm für eine Brücke sollte dasjenige sein, welches die kleinstmöglichen
negativen Gesamteinwirkungen auf alle Stakeholder nimmt. Die Reduktion bzw. Minimierung aller
negativen Einwirkungen für alle Stakeholder jetzt und in der Zukunft ist ein Konzept, das zunehmend
in vielen Gebieten berücksichtigt wurde, und ist bekannt als „Nachhaltigkeit“.
Mit State-of-the-Art Brückenmanagementsystemen und der steigenden Nachfrage nach Nachhaltigkeit
im Infrastrukturmanagement sollten Infrastrukturmanagern Werkzeuge und Methoden an die Hand
gegeben werden, die sie bei der Entwicklung des nachhaltigsten Arbeitsprogramms für ihre Brücken
unterstützen.
Die Entwicklung des nachhaltigsten Arbeitsprogramms für Brücken ist eine Herausforderung. Einer der
Gründe, zumindest in Bezug auf die Entwicklung von optimalen Arbeitsprogrammen mit State-of-theArt Systemen, ist, dass nicht alle Einwirkungen auf die jeweiligen Stakeholder in direktem
Zusammenhang mit einzelnen Elementen der Brücke stehen und diesen somit nicht zugewiesen werden
können (wie z.B. die Menge an Beton, die für die Reparatur eines Betonwiderlagers benötigt wird).
Andere Einwirkungen, die bezüglich des Nutzers anfallen, hängen mit der Funktion der gesamten
Brücke und nur indirekt mit ihren einzelnen Elementen (z.B. zusätzliche Reisezeit des
Verkehrsteilnehmers durch eine Geschwindigkeitsreduktion aufgrund der Unebenheit der
Strassenoberfläche) und mit Entscheidungen, die in Bezug auf die ganze Brücke gefällt werden,
zusammen (z.B. Aufwand für Verkehrskontrolle bei der Schliessung einer Fahrbahn auf der Brücke
während einer Instandhaltungsmassnahme).
Ziele dieser Arbeit waren:
-
die Evaluierung von existierenden State-of-the-Practice und State-of-the-artMethoden zur
Bestimmung des optimalen Arbeitsprogramms mit der grössten Nachhaltigkeit für
konventionelle Strassenbrücken, und
die Erarbeitung einer Handlungsempfehlung, wie diese Methoden in der Zukunft modifiziert
werden sollten, so dass sie das nachhaltigste Arbeitsprogramm ermitteln können.
Die Evaluierung der existierenden Methoden geschah unter Einbezug aller auftretenden Einwirkungen
auf einzelne Elemente der Brücke sowie Einwirkungen auf die Brücke als Ganzes.
Die untersuchten Methoden beinhalten eine repräsentative State-of-the-Practice Methode sowie zwei
der in der Literatur am meisten erfolgversprechenden State-of-the-Art Methoden. Die State-of-thePractice Methode (SOP) nutzt wissensbasierte Modelle und Markov-Ketten, um optimale
-xviii-
Zusammenfassung
Interventionsstrategien für die Elemente der Brücke zu ermitteln, um dann die im Arbeitsprogramm
enthaltenen optimalen Interventionen festzustellen, basierend auf dem wahrscheinlichen Zustand der
Elemente zu jedem betrachteten Zeitpunkt und auf den Interventionen, die an dem jeweiligen Element
zu diesem Zeitpunkt entsprechend der optimalen Interventionsstrategie ausgeführt werden sollen.
Eine der State-of-the-Art Methoden, die Structural Performance State Methode (SPM), nutzt MarkovKetten, um die optimale Interventionsstrategie für die gesamte Brücke zu ermitteln und dann die im
Arbeitsprogramm enthaltenen Intervention zu bestimmen, basierend auf dem wahrscheinlichen Zustand
der Elemente zu jedem betrachteten Zeitpunkt und auf den Interventionen, die zu diesem Zeitpunkt
entsprechend der optimalen Interventionsstrategie ausgeführt werden. Die andere State-of-the-Art
Methode, die Joint Replenishment Methode (JRM), nutzt die Inventory Theory, um das optimale
Arbeitsprogramm für Brücken zu bestimmen, indem zuerst die Elementgruppen definiert werden, an
denen Interventionen zur gleichen Zeit durchgeführt werden, um anschliessend die optimalen regulären
Intervalle für die Durchführung von Interventionen an der Brücke zu ermitteln.
Die Methoden wurden untersucht, indem jede Methode zur Ermittlung des optimalen
Arbeitsprogramms für eine Hohlkastenbrücke mit einer Fahrbahn aus Stahlbeton verwendet wurde. Die
berücksichtigen Einwirkungsarten waren für alle Methoden gleich und enthielten einige Einwirkungen,
die sich auf Elemente, und andere, die sich auf die gesamte Brücke bezogen. Erstere sind Einwirkungen
auf den Eigentümer während der Ausführung der Intervention, z.B. Lohn- und Materialkosten. Letztere
sind Einwirkungen auf den Nutzer und die generelle Öffentlichkeit, und zwar während und zwischen
der Ausführung der Intervention, inklusive Nutzerkosten für den Fahrzeugbetrieb, Reisezeitkosten,
Unfallkosten, Lärmkosten, Luftverschmutzungskosten und Klimakosten.
Die Arbeitsprogramme, die mit Hilfe dieser drei existierenden Methoden entwickelt wurden, wurden
mit dem Arbeitsprogramm einer in dieser Dissertation vorgeschlagenen Methode verglichen. Obwohl
die vorgeschlagene Methode wahrscheinlich momentan schwierig in einem existierenden
computerunterstützten Managementsystem zu implementieren ist, berücksichtigt sie sowohl
Auswirkungen auf Element- als auch auf Brückenebene. Dies geschieht durch Untersuchung aller
möglichen Intervalle zwischen den Interventionen an allen Kombinationen von Elementgruppen und
unter Berücksichtigung der Einwirkungen, die jede Elementgruppe auf die Gesamtperformance der
Brücke hat. Bei der vorgeschlagenen Methode ist die untersuchte Zeitperiode in mögliche
Interventionsintervalle oder Interventionsintervallsets aufgeteilt, und die Beziehung zwischen den
Elementen und der Brückenperformance wird durch Nutzung von Performance Limit State Funktionen
für die relevanten Elementgruppen abgebildet.
Bei der Durchführung der Untersuchung wurde festgestellt, dass jede der existierenden Methoden
Stärken und Schwächen hat.
Die SOP ist relativ schnell, kann aber nur Einwirkungen auf Brückenebene berücksichtigen, indem sie
sie entweder prozentual bei den Einwirkungen auf Elementebene zuordnet, oder indem sie sie Objekt
für Objekt bei der Entwicklung des Arbeitsprogramms berücksichtigt. Ersteres macht es theoretisch
möglich, weniger Einwirkungen durch die Ausführung der Interventionen auf mehrere Elemente
gleichzeitig zu erzielen, was aber in Praxis sehr schwierig ist. Die Berücksichtigung von Einwirkungen
auf die Brückenperformance zwischen Interventionen ist nicht möglich.
Die SPM kann in geeigneter Weise beides simulieren, Einwirkungen auf Element- und auf
Brückenebene, indem Durchschnittswerte für jede Einwirkungsart für jeden Performance State der
Brücke abgeschätzt werden. Anschliessend werden alle diese Einwirkungen auf Element- und
Brückenebene diesen Performance States zugeordnet, und zwar während und zwischen Interventionen
bei der Bestimmung der optimalen Brückeninterventionsstrategie, aus der das optimale
Arbeitsprogramm abgeleitet wird, was jedoch rechenintensiv ist.
Die JRM kann beides simulieren, Einwirkungen auf Element- und Brückenebene, während und
zwischen Interventionen, indem sie auf die Elemente und Elementgruppen bezogen werden. Die direkte
Verbindung zwischen den Einwirkungen auf Brückenniveau und den Elementen ist jedoch immer noch
-xix-
Zusammenfassung
notwendig, wenn die Elemente einzeln betrachtet werden. Obwohl jeder Rechendurchlauf relativ
schnell ist, wird eine grosse Anzahl an Simulationen benötigt, um Unsicherheiten bezüglich der Zukunft
zu erfassen und das wirklich optimale Arbeitsprogramm zu ermitteln. Die JRM, die in dieser Arbeit
untersucht wurde, hat die zusätzliche Schwäche der Linearität, welche es notwendig macht, die
Gesamteinwirkungen zu über- oder unterschätzen.
Der Vergleich der untersuchten Methoden mit der vorgeschlagenen Methode ergab vier relativ
unterschiedliche Arbeitsprogramme mit jedoch nur kleinen Unterschieden in den Gesamteinwirkungen.
Grund dafür ist die Art, wie die möglichen Arbeitsprogramme in jeder Methode ausgewählt wurden.
Weiterhin ist ebenfalls teilweise ein Grund, dass es viele nahezu optimale Arbeitsprogramme gibt,
zumindest für das ausgewählte Beispiel, da während der Ausführung der Interventionen ein relativ
geringes Verkehrsaufkommen bestand und die entsprechende Umleitung von ausreichender Kapazität
und sehr kurz war, so dass es keine grossen Einwirkungen auf den Verkehrsfluss während der
Durchführung einer Massnahme gab. Von den vier untersuchten Methoden war die vorgeschlagene
Methode diejenige, die in Summe die geringsten Gesamteinwirkungen zur Folge hatte.
Die Forschungsarbeit hat in ihrer Gesamtheit gezeigt, dass es schwierig ist mit den State-of-thepractice-Methoden die nachhaltigsten Arbeitsprogramme zu bestimmen. Dies ist bedingt durch ihren
elementorientierten Fokus, jedoch gibt es vielversprechende Methoden in der Forschung, eine davon ist
SPM. Es wurde auch gezeigt, dass weitere Verbesserungen möglich sind, zumindest aus konzeptioneller
Sicht, indem die Brückenperformance präziser modelliert wird. Mit diesen Verbesserung der
Modellierung gehen jedoch Rechenprobleme einher, die zuerst gelöst werden müssen, bevor Methoden,
die ein solch detailliertes Model nutzen, in existierende Brückenmanagementsysteme integriert werden
können.
Zukünftige Forschung in diesem Bereich sollte ihren Fokus deshalb auf die Untersuchung von
Möglichkeiten richten, die benötigte Modellierung durchzuführen, jedoch mit höherer
Geschwindigkeit. Solche Forschungsarbeiten werden höchstwahrscheinlich die Untersuchung
vereinfachter Modelle beinhalten, die die Performance States der Brücke mit dem Wert des
Einwirkungen in Beziehung stellen, und auch die Entwicklung angemessener Suchalgorithmen, um die
Notwendigkeit für aufwändige Suchen zu eliminieren, die aber nach wie vor die nachhaltigsten
Arbeitsprogramme finden.
-xx-

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