background image

XXIV

awarie  budowlane

XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna 

Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009

 

 

 

 

D

AISUKE 

Y

AMAOKA

yamaoka_dai_ssd@yahoo.co.jp 

Kansai University, Osaka, Japan 
K

AZUYA 

B

ESSHO

bessho_ssd@yahoo.co.jp 

Y

OSHIHIKO 

T

AKADA

 

Hanshin Expressway Management Technology Center, Osaka, Japan 
Prof. M

ASAHIRO 

S

AKANO

peg03032@ipcku.kansai-u.ac.jp 

Kansai University, Osaka, Japan 
 

FATIGUE TEST OF AN URBAN EXPRESSWAY STEEL GIRDER 

BRIDGE CONSTRUCTED IN 1964 

BADANIA ZMĘCZENIOWE STALOWEGO MOSTU BELKOWEGO, 

NA MIEJSKIEJ AUTOSTRADZIE, WYBUDOWANEGO W 1964 R 

Abstract  In Japan, infrastructure, including numerous highway and railway bridges, was intensively constructed 
during the rapid economic growth era from 1960's to 1970's. We are warned that those structures are now aged 
and may deteriorate 

in 

the 

near future. 

Since fatigue design had not been applied to highway bridges 

until 2002, 

there is a high possibility that 

fatigue cracking will 

occur frequently in the future. In this study, we try to grasp 

fatigue  behavior  and  fatigue  strength  characteristics  of  the  fatigue  weak  points  in  the  actual  bridge  through 
fatigue tests of steel girders which had been used on an urban expressway for more than 40 years and removed in 
2005. As the result,

 

it was confirmed that the fatigue strength of web gusset welded joint with fillet satisfies JRA 

Fatigue Category E which is two-rank higher than that of web gusset joint without fillet. 

Streszczenie W Japonii, infrastruktura bogata w mosty kolejowe i autostradowe była intensywnie rozbudowywa-
na podczas gwałtownego wzrostu ekonomicznego przypadającego na lata 1960-1970. Pojawiają się ostrzeŜenia, 
Ŝ

e  te  konstrukcje  starzeją  się

 

i  ich  stan  moŜe  się  pogorszyć  w  najbliŜszej  przyszłości.  PoniewaŜ  testy  zmęcze-

niowe nie były stosowane do 2002 roku, istnieje duŜe prawdopodobieństwo, Ŝe uszkodzenia zmęczeniowe będą 
coraz  częstsze  w  przyszłości.  W  pracy  scharakteryzowano  zachowanie  i  wytrzymałość  najsłabszych  punktów 
w rzeczywistym  moście,  przez  testy  zmęczeniowe  stalowych  belek,  które  były  eksploatowane  na  miejskiej 
autostradzie przez ponad 40 lat i zostały usunięte w 2005 roku.

 

1. Introduction 

In Japan, infrastructure, including numerous highway and railway bridges, was intensively 

constructed during the rapid economic growth era from 1960's to 1970's. We are warned that 
those structures are now aged and may deteriorate in the near future. Since fatigue design had 
not  been  applied  to  highway  bridges  until  2002

[1]

,  there  is  a  high  possibility  that  fatigue 

cracking will occur frequently in the future.

 

In this study, we try to grasp fatigue behavior and 

fatigue strength characteristics of the fatigue weak points in the actual bridge through fatigue 
tests of steel girders which had been used on an urban expressway for more than 40 years and 
removed in 2005.  

background image

Mosty, drogi i koleje 

 

 

396

2. Bridge and girders 

15830

17128

18425

19718

1

8

9

8

2

1

2

1

2

1

2

1

G- 1

G- 2

G- 3

G- 4

P2

P1

North side

South side

Unit

mm

 

Fig. 1.  Plan of  Minato-machi Ramp Bridge    

16349

15830

Main girder

Slab

Railing

P1

P2

1.001513

1.000000

0.055022

 

2468

2468

2464

817

994

1

1

8

1

3

0

1

0

7

9211

0.047812

1.000000

1.001142

G- 1

G- 2

G- 3

G- 4

 

Fig. 2. Elevation of Minato-machi Ramp Bridge 

Fig. 3. Cross section of Minato-machi Ramp Bridge 

The  object  of  study  is  the  Minato-machi Ramp Bridge, which was real urban expressway 

ramp girder bridge constructed in 1964, and removed in 2005. The bridge was a simply-sup-
ported  composite  main  girder  bridge.  Girders  have  a  web  plate  and  a  bottom  flange  with 
welded vertical stiffeners and gusset plates which connect cross frames and lateral bracings to 
main girders. Figs.1~3 shows the plan, elevation and cross section of the bridge. Test pieces 
were cut out from the red areas shown in Fig. 1.  

3. Cracks inspection 

3.1. Method 

Before  the  fatigue  tests,  magnetic  particle  tests  are  conducted  to  detect  the  fatigue  cracks 

which could have occurred under service loading. Toes of turn-round weldment are inspected 
in  the  welded  joint  which  connects  the  gusset  plate  to  the  web  of  the  main  girder.  The  total 
number  of  inspected  toes  of  turn-round  weldment  is  53  in  15  gusset  plates.  Fig.4  shows 
locations of gusset plates and inspected areas. 

At  first,  to  confirm  the  shape  and  length  of  paint  cracks,  the  paint  cracks  are  inspected. 

Next,  the  paint  is  removed  by  hammer.  Finally,  we  tried  to  detect  the  fatigue  cracks  by 
magnetic particle test. 

background image

Yamaoka D. i inni: Fatigue test of an urban expressway steel girder bridge constructed in 1964

 

 

 

397

 

Inspected

 Areas

G- 1

G- 3

G- 4

P1

G- 2

Center side

Edge side

G1- 2

G1- 1

G2- 4

C SC

E

SE

C SC

E

SE

G2- 3W

G2- 3E

C

E

G2- 2

C SC

E

SE

C SC

E

SE

C SC

E

SE

C SC

E

SE

G2- 2E

G2- 2W

C SC

E

SE

C SC

E

SE

G3- 3W

C

E

G3- 3E

G3- 2

C SC

E

SE

C SC

E

SE

C SC

E

SE

G3- 1E

G3- 1W

C SC

E

SE

G4- 1

G4- 2

 

Fig. 4. 

Locations of gusset plates and inspected areas 

3.2. Paint cracks inspection 

 

Table 1. 

Result of paint cracks inspection 

C

12,7,7

C

33

SC

0

SC

0

E

B urne d

E

0

SE

D e te rio ratio n

SE

0

C

83,65

C

0

SC

0

SC

0

E

B urne d

E

0

SE

0

SE

3

C

0

C

13

SC

0

E

27

E

0

C

0

SE

0

SC

0

C

5

E

0

SC

0

SE

0

E

0

C

0

SE

0

SC

17

C

13

E

0

E

12,9

SE

0

C

23

C

23

SC

0

SC

12

E

6

E

D e te rio ratio n

SE

0

SE

B urne d

C

0

C

20,18

SC

0

SC

0

E

0

E

17,9

SE

0

SE

27

G2-4

35,32

G2-3W

G3-1E

G3-1W

G us s e t

P late

Ins pe c te d

A re a

P aint C rac k

L e ngth (mm)

G3-2

G4-2

G2-1W

N o te

G1-1

G2-2

G2-3E

G1-2

G2-1E

G3-3E

G4-1

G3-3W

G us s e t

P late

Ins pe c te d

A re a

P aint C rac k

L e ngth (mm)

N o te

 

 
Table  1  shows  the  result  of  the  paint  cracks inspection. Red and yellow areas show paint 

crack occurrence areas. There were 18 paint crack occurrence areas in the 53 inspected areas. 

Paint  cracks  in the red areas are along the toes of turn-round weldment which are fatigue 

weak points. Paint cracks in the yellow areas are not along the toes of turn-round weldment.  

background image

Mosty, drogi i koleje 

 

 

398

In the 5 blue areas we could not judge the shape and length of the paint crack because of 

burning and deterioration. 

3.3. Magnetic particle test 

Fig. 5 shows the result of magnetic particle tests. MT signs that may indicate fatigue cracks 

were observed at 2 weldments among the 18 turn-round weldments with paint cracks. Several 
paint cracks were observed at the G1-2-C gusset plate.  

G2- 2

G2- 3W

G3- 3E

G3- 1E

G2- 1E

G2- 4E

G1- 2

G1- 1

G4- 1

G4- 2

G- 1

G- 3

G- 4

G3- 3W

G3- 1W

G2- 1W

P1

G3- 2

G- 2

G2- 3E

With Paint crack

With MT sign

 

Fig. 5. Results of magnetic particle test 

A  MT  signs  of  8  mm  and  1.3  mm  length  were  observed  under  a  83  mm  paint crack at the 

G1-2-C gusset plate. A MT sign of 4mm length was observed under a 23 mm paint crack at the 
G4-1-C  gusset plate. Photos 1~4 shows paint cracks and MT signs in the G1-2-C and G4-1-C 
gusset plates. 

There are no MT signs in the inspected areas that have no paint cracks, or that have paint 

cracks  in  places  other  than  along  the  toes  of  turn-round  weldment  which  are  fatigue  weak 
points. 

         

 

 

Photo 1. Paint cracks on G1-2-C  

Photo 2. MT sign on G1-2-C (N=0cycle) 

background image

Yamaoka D. i inni: Fatigue test of an urban expressway steel girder bridge constructed in 1964

 

 

 

399

 

 

 

 

Photo 3. Paint crack on G4-1-C  

Photo 4. MT sign on G4-1-C 

4. Experimental method  

4.1. The configurations and dimensions of specimen 

Fig. 6 shows the configurations and dimensions of G1 girder specimen. Due to the capacity 

of  the  testing  machine,  the  depth  of    girder  was  reduced  by  cutting  off  the  upper  part  of  the 
girder  and  welded  a  new  top  flange.  Photo  5  shows  the  gusset  plate  in  G1  girder  specimen. 
The gusset plate has fillets at its both ends. 

C

L

5210

680

3

6

0

3

0

0

9

R=30

200

9

150

1319

1319

1111

1111

11

700

9

11

11

11

9

5210

1

08

2

2

2

1

1

7

5

2

9

150

1319

1319

1111

200

a

b

GUSS PL

360× 9× 680

340

1

4

9

680

SOLE PL

300× 15× 200

1

1

3

0

2

0

0

1

3

0

6

6

6

6

6

6

C

700

6

1111

C

B

B

9

9

11

11

11

11

1

6

5210

680

3

6

0

3

0

R=30

1319

1111

200

9

1000

1319

1111

2

30

150

1000

6

6

6

9

350

890

400

890

2

30

4860

SOLE PL

300× 15× 200

b’

a’

(b) Elevation

(a) a- a’ Plan

(c) b- b’ Plan

Unit:mm

 

Fig. 6. 

Configurations and Dimensions of G1 Girder Specimen 

Photo 5. Configuration of Gusset 

Plate 

4.2. Fatigue Test Method 

Fatigue test was conducted in 4-point bending condition with a loading beam. Loading rate 

was  3  Hz.  Fig.  7  shows  fatigue  loading  history.  After  ∆P  =  200  kN  fatigue  loading  of 

background image

Mosty, drogi i koleje 

 

 

400

12.5 Mcycles, MT signs at the gusset plate end was propagated so little that. The load range 
(∆P) was increased to 260 kN. 

5

10

15

20

0

100

200

300

L

oa

d M

a

guni

tude

 P

 (

kN

)

Total Number of loading cycles Nt (Mcycles)

∆ P=200kN

∆ P=260kN

B.M:100,000cycles

B.M

① ② ③ ④ ⑤

18.3

13.2

 

Fig. 7. Fatigue Loading History 

5. Experimental Results 

5.1. Fatigue Crack development and Propagation Behavior 

Fig.  8  shows  the  relationship  between  the  length  of  MT  sign  and  the  number  of  loading 

cycles. Photo 6, 7 show MT signs at the G1-2-C gusset plate.  A MT sign of 0.8 mm length 
was detected after ∆P=200 kN loading of 0.16 Mcycles at the upper part of G1-2-C weldment. 
The remarkable propagation of MT signs could not be observed after ∆P = 200 kN loading of 
12.5 Mcycles and ∆P = 260 kN loading of 5.1 Mcycles. 

5

10

15

0

10

20

30

40

L

e

n

g

th

 o

M

T

 S

ig

n

s

2

a(

m

m

)

Number of loading cycles N (Mcycles)

⊿P=200kN

⊿P=260kN

Sign.2 Sign.3

Sign.1

Sign.4 ∑ 2a

 

Fig. 8. 

Relationship between Length of MT Sign and Number of Loading Cycles 

background image

Yamaoka D. i inni: Fatigue test of an urban expressway steel girder bridge constructed in 1964

 

 

 

401

 

      

 

Photo 6 MT sign at G1-2-C (P=200kN,N=0.16Mcycles)   Photo 7 MT sign at G1-2-C (P=200kN,N=8.1Mcycles) 

5.2. Fatigue Strength 

Fig.  9  shows  fatigue  test  results  and  fatigue  design  curves  after  JRA  (Japan  Road 

Association)  Fatigue  Design  Recommendations  for  Highway  Bridges  (2002)

[1]

.  The  vertical 

axis  represents  the  maximum  principal  stress  range  (∆),  while  the  horizontal  axis  represents 
the  fatigue  life  Nd  and  Nf.    Nd  is  fatigue  crack  detection  life  as  the  number  of  stress  cycles 
until fatigue cracks are detected. Nf is fatigue life defined as the number of stress cycles until 
the fatigue crack propagates until the web depth. 

No  fatigue  crack  propagation  was  observed  in  the  gusset  plate  welded  joint  after 

12.5Mcycles  loading  under  ∆σ = 51MPa  and  5.1Mcycles  loading  under  ∆σ = 62MPa. 
The fatigue  strength  of  this  type  of  web  gusset  welded joint with fillet satisfies JRA Fatigue 
Category E which is two-rank higher than that of web gusset welded joint without fillet. 

100

10

5

10

6

10

7

G

F

E

D

C

JRA-B

20

30

40

50

M

a

x

im

u

m

 P

ri

n

ci

p

al

 S

tr

e

ss

 R

an

g

e

 ⊿

σ

(M

P

a)

Fatigue Life Nd,Nf(

cycles)

200

G1-2-C

G1-2-E

G1-2-SC,SE

Nf

Nd

Flange-web

 

Fig. 9. Fatigue Test Results 

background image

Mosty, drogi i koleje 

 

 

402

6. Conclusions 

The principal results obtained through this study are as follows. 

1)  MT  signs  that  may  indicate  fatigue  cracks  were observed at 2 weldments from among 18 

turn-round weldments with paint cracks. 

2)  A  MT  sign  of 8mm length was observed under a 83mm paint crack at the G1-2-C gusset 

plate.  A  MT  sign  of  4mm  length  was  observed  under  a  23mm  paint  crack  at  the  G4-1-C 
gusset plate. 

3)  There are no MT signs in the inspected areas which have no paint cracks, or that have paint 

cracks in places other than along the toes of turn-round weldment which are fatigue weak 
points. 

4)  The remarkable propagation of MT signs could not be observed after ∆P = 200kN loading 

of 12.5Mcycles and ∆P = 260kN loading of 5.1Mcycles  

5)  It was confirmed that the fatigue strength of this type of web gusset welded joint with fillet 

satisfies JRA Fatigue Category E which is two-rank higher than that of web gusset welded 
joint without fillet. 

References 

1.  Japan  Road  Association,  “Fatigue  Design  Recommendations for Highway Bridges”, 2002 

(in Japanese). 

2.  M. Sakano, M. Hozumi, T. Shimora and I. Mikami, "Long Term Fatigue Strength of a Web 

Gusset Joint in Floor-Beam-to-Main-Girder Connection", Steel Construction Engineering
Vol.5, No.18, pp 31–41, June 1998 (in Japanese).  

3.  M.  Sakano,  D.  Nimura,  K.  Matumoto,  A.  Isoda,  N.  Kondo,  K.  Arimochi,  and  N.  Konda, 

„Improving  Fatigue  Strength  of  Welded  Beams  by  Using  Fatigue  Crack  Arresting  Steel”, 
Euro Steel 2005, Volume B, pp 1.11-25–1.11-32, 2005.