background image

 

 

 

D

AISUKE 

Y

AMAOKA

yamaoka_dai_ssd@yahoo.co.jp 

M

ASAHIRO 

S

AKANO

peg03032@ipcku.kansai-u.ac.jp 

Kansai University, Osaka, Japan 
Y

OSHIHIRO 

N

ATSUAKI

 

Japan Bridge Association, Osaka, Japan 
S

NUNAO 

N

ONAKA

, Y

OSHIMASA 

N

AKAGAWA

 & K

ASUMI 

N

AKAMURA

 

Kinki Regional Development Bureau, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Osaka, 
Japan 

EFFECT OF REINFORCING METHOD AGAINST FATIGUE 

CRACKING OF ORTHOTROPIC STEEL DECK WITH BULB RIBS  

SKUTECZNOŚĆ ZASTOSOWANEJ METODY WZMACNIANIA PRZECIW 

PĘKANIU ZMĘCZENIOWEMU ORTOTROPOWYCH STALOWYCH PŁYT 

POMOSTOWYCH Z śEBRAMI ŁEBKOWYMI 

Abstract Recently, thousands of fatigue cracks have been detected in orthotropic steel decks in Japan. 
Of  these,  fatigue  cracking  in  welded  joints  between  bulb  ribs  and  transverse  ribs  is  the  most  frequent 
type  found  in  the  Kansai  area.  In  this  study,  we  tried  to  grasp  fatigue  behaviour  in  the  welded  joints 
between the bulb rib and the transverse rib through fatigue tests of the orthotropic steel deck specimen 
with the same structural detail as a bridge itself.

 

Fatigue cracks were initiated at the weld toe of the upper 

part of the slit and propagated through the weldment into the deck plate. We confirmed that the fatigue 
crack detection life of the welded joint between the bulb rib and the transverse rib was improved more 
than eight times by applying angle steel reinforcement.  

Streszczenie  W  ostatnim  okresie  wykryto  tysiące  pęknięć  zmęczeniowych  w  ortotropowych  płytach 
pomostowych  w  Japonii.  Spośród  nich  najczęściej  znajdowanymi  w  rejonie  Kansai  były  pęknięcia 
zmęczeniowe  w  spoinach  łączących  Ŝebra  łebkowe  z  Ŝebrami  poprzecznymi.  W  prezentowanym 
studium  podjęto  próbę  uchwycenia  zachowania  zmęczeniowego  spoin  łączących  Ŝebra  łebkowe  z Ŝe-
brami  poprzecznymi  za  pomocą  badań  zmęczeniowych  próbek  stalowych  pomostów  ortotropowych 
o takich samych szczegółach konstrukcyjnych jak w mostach. Pęknięcia zmęczeniowe były inicjowane 
na brzegu spoiny w górnej części szczeliny i propagowały przez spoinę do płyty pomostu. Wykazano, 
Ŝ

e  oczekiwany  okres  pojawiania  się  pęknięć  zmęczeniowych  w  spoinach  łączących  Ŝebra  łebkowe 

z Ŝebrami  poprzecznymi  został  zwiększony  ponad  osiem  razy  dzieki  zastosowaniu  wzmocnienia 
ze stalowych kątowników. 

 

1. Introducion 

 

Recently,  thousands  of  fatigue  cracks  have  been  detected  in  orthotropic  steel  decks 

in Japan. Of these, fatigue cracking in welded joints between bulb ribs and transverse ribs is 
the  most  frequent  type  found  in  the  Kansai  area  (Committee  of  JSCE  on  steel  structures 
2007). Fatigue cracks are classified into 4 types, as shown in Figure 1 (Tabata et al. 2007). 
At  the  intersection  of  the  bulb  rib  and  the  transverse  rib,  the  crack  that  propagates  from 
the weldment of the lower part of the slit into the transverse rib web is d-type, and the other 

background image

1276 

Yamaoka D. i inni: Effect of reinforcing method against fatigue cracking of orthotropic… 

 

 

that  propagates  from  the  weldment  of  the  upper  part  of  slit  into  the  deck  plate  is  a-type. 
These cracks may propagate into the deck plate and have a bad influence on traffic. 
 

It is important, therefore to grasp such fatigue cracking behaviour. An effective  method 

against  the  fatigue  cracks  is  needed.  In  this  study,  we  tried  to  grasp  fatigue  cracking 
behaviour  in  the  welded  joints  between  the  bulb  rib  and  the  transverse  rib  by  means 
of fatigue  tests  of  the  orthotropic  steel  deck  specimen  which  is  the  same  size  and  has 
the same  structural  detail  as  the  actual  bridge.

 

Also,  we  verified  the  effect  of  the  proposed 

reinforcing method using angle steels. 

a

b

c

d

Transverse 

Rib

Bulb Rib

Deck Plate

a 10.6%, d 89.1%

c+d 0.3%

Percentage of 

fatigue crack types

 

Figure 1. Fatigue cracks in welded joint between bulb rib and transverse rib in the Hanshin Expressway 

2. Experimental method

 

2.1 Specimen 

 

Figure 2 shows configurations and dimensions of the specimen. In this study, the object 

is A bridge consisting of orthotropic steel deck, bulb ribs and transverse ribs. We produced 
a specimen which has the same structural detail as the bridge. It has 8 bulb ribs and a trans-
verse rib, and is 1m long, 4m wide and 1m high. 

 

Figure 2. Configurations and dimensions of the specimen 

background image

Konstrukcje mostowe 

1277 

 

 

 

2.2 Reinforcing method 

 

In  order  to  reduce  shearing  deformation  of  the  slit  at  the  intersection  of  bulb  rib 

and transverse  rib,  angle  steels  (9×130×130  mm)  as  reinforcing  members  are  applied 
to the face and back of the transverse rib, and to the slit side of the bulb rib, using high-ten-
sile bolts. Figure 3 shows the intersection of the bulb rib and the transverse rib after applying 
angle steels (Tabata et al. 2007). 

R

=3

5

28

61

5

0

3

0

0

1

5

60

9

1

0

0

1

0

0

5

0

R

=3

0

2

0

0

1

2

Unit mm

Bulb Rib

Filler Plate

Angle steel

130

7

5

3

5

3

5

A

A

1

3

0

1

3

0

9

6

5

6

5

65

65

130

28

10

Transverse 

Rib

9×130×130×300

9×130×130×300

28×145×270

28×145×270

(a) Elevation

(b) A-A Plan 

Angle steel

Filler Plate

Bulb Rib

 

Figure 3. Intersection of bulb rib and transverse rib with angle steel reinforcements 

2.3 Static loading test method 

 

Figure 2 shows the 5 loading locations of the static loading test. Loading locations from 

D-1  to  D-4  simulate  two  sets  of  double  tires  with  4  rubber  plates  (40×200×200  mm). 
Loading location D-5 simulates a set of double tires with 2 rubber plates. The load is 200kN. 
Photo 1 shows the test set-up. Figure 4 shows the locations of strain gages. By using strain 
gages,  we  measured  local  stresses  at  the  slits  of  the  intersection  of  the  bulb  ribs  and 
the transverse rib. 

 

Specim

 

1

10

2

5

5

5

5

5.5

3

4

5

6

Unit mm

Uniaxial Strain Gage

Only 4 and 6 : Rib 3, 4, 5, 6    

Photo 1. Loading test set-up  

Figure 4. Locations of strain gages 

background image

1278 

Yamaoka D. i inni: Effect of reinforcing method against fatigue cracking of orthotropic… 

 

 

2.4 Fatigue test method 

 

The  loading  pattern  of  the  fatigue  test  is  D-1  (see  Figure  2).  In  the  static  loading  test, 

we found  that  the  stress  of  Rib  8  was  higher  than  that  of  Rib  1.  Therefore,  we  reinforced 
the intersection of Rib 8 and the transverse rib before the fatigue test. And, we tried to grasp 
the behaviour  of  fatigue  cracking  at  Rib  1,  and  to  verify  the  effect  of  reinforcing 
the intersection of Rib 8 and the transverse rib. The load range  was 280kN and the loading 
rate was 3Hz. 

3. Experimental results 

3.1 Static loading test results 

 

Figure  5  shows  the  results  of  the  static  loading  test,  both  with  and  without  reinforcing. 

As shown in Figure 6, both stresses at both the upper part(

6

) and lower part(

4

) of the Rib 1 

and Rib 8 slits were tensile stresses, and the stress at the upper part(

6

) of the slit is higher 

than  that  at  its  lower  part(

4

).  The  stress  at  the  upper  part(

6

)  of  the  Rib  8  slit  was  higher 

than that for Rib 1. Therefore, we reinforced the intersection of Rib 8. After applying angle 
steel reinforcement, the stress at the upper part(

6

) of the Rib 8 slit decreased to approxima-

tely  30%  (from  127  MPa  to  38  MPa),  and  the  stress  of  the  lower  part(

4

)  of  the  Rib  8  slit 

changed from a 26 MPa tensile stress to a 86 MPa compressive stress. The stress at the upper 
and lower parts of the Rib 1 slit did not change. 

Rib 1

-41

61

71

98

-44

-186

7

11

30

67

-35

-107

-14

26

59

127

-44

-190

0

-6

30

67 -34

-105

13

3

18

-6

3

-1

10

-11

Rib 2

Rib 3

Rib 4

Rib 5

Rib 6

Rib 7

Rib 8

Loadind Location: D-1                                        P = 200 kN,   Unit: MPa

 

(a) Without reinforcing 

Loadind Location: D-1                                       P = 200 kN,   Unit: MPa

 

(b) With reinforcing 

Figure 5. Result of static loading test

 

Figure 6 shows  stress at the intersection of the bulb rib and the transverse rib. The stresses 
at the  slit  of  Rib  1  and  Rib  8  were  almost  constant.  As  loading  the  slit  side,  the  tensile 
stresses  at  Rib  2,  Rib  3,  Rib  6  and  Rib  7  slits  increased.  On  Rib  4  and  Rib  5,  however, 
the compressive  stresses  of  Rib4  and  Rib5  slits  increased.  Also,  we  found  that  the  tensile 
stress at the upper part of the slit is higher than that at its lower part. 

background image

Konstrukcje mostowe 

1279 

 

 

 

6

-100

-50

0

50

100

150

200

400

600

800

1000

1200

1400

CL

S

tr

es

at

 U

p

p

e

P

ar

o

S

li

σ

(M

P

a)

 

Without Reinforcing

Distance from  Edge of 

Specimen to Center of 

Loading Area (mm)

Rib Position

Rib 3

Rib 1

Rib 2

Rib 8

Rib 7

Rib 6

Rib 5

Rib 4

 

(a) Upper part of slit 

4

400

600

800

1000

1200

1400

-150

-100

-50

0

50

100

150

C

L

Without Reinforcing

Distance from  Edge of 

Specimen to Center of 

Loading Area (mm)

S

tr

es

at

 L

o

w

e

P

ar

o

S

li

σ

(M

P

a)

 

Rib Position

Rib 3

Rib 1

Rib 2

Rib 8

Rib 7

Rib 6

Rib 5

Rib 4

 

(b) Lower part of slit 

Figure 6. Stress at intersection of bulb rib and transverse rib (P=200kN) 

3.2 Fatigue test results 

 

A  fatigue  crack  of  14  mm  length  was  detected  on  the  weldment  of  the  upper  part 

of the Rib 1 slit after 0.7 Mcycles loading. Photo 2 shows the fatigue crack at this upper part 
of the Rib 1 slit after 0.7 Mcycles loading. It was initiated at the weld toe of the upper part 
of the  Rib 1  slit, and propagated from the  weldment into the deck plate.  After 5.4 Mcycles 
loading, it propagated to about 30 mm length, as shown in Photo 3. 
 

No  fatigue  cracking  was  observed  at  the  intersection  of  Rib  8  and  the  transverse  rib, 

which  had  applied  angle  steel  reinforcement,  after  5.4  Mcycles  loading.  Therefore,  it  was 
confirmed that the fatigue crack detection life of the  welded joint between the bulb rib and 
the transverse rib had been improved more than eight times by applying angle steel reinfor-
cement.  We  then  removed  the  angle  steels  applied  to  the  intersection  of  Rib  8  and 
the transverse rib. Without the angle steels, a fatigue crack of 2 mm length was observed on 
the weldment of the upper part of the Rib 8 slit after 0.1 Mcycles loading. Photo 4 shows the 
fatigue crack at the upper part of the Rib 8 slit after 0.1 Mcycles loading without angle steels. 

background image

1280 

Yamaoka D. i inni: Effect of reinforcing method against fatigue cracking of orthotropic… 

 

 

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Slit

Fatigue crack

14 mm

   

Lower surface of

deck plate

Weldment

Slit

Transwerse rib

Fatigue crack

9 mm

 

 

(a) South side  

(b) North side 

Photo 2. Fatigue crack at upper part of Rib 1 slit after 0.7 Mcycles loading 

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Fatigue crack

29 mm

   

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Fatigue crack

31 mm

 

 

(a) South side  

(b) North side 

Photo 3. Fatigue crack at upper part of Rib 1 slit after 5.4 Mcycles loading 

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Slit

Fatigue crack

2 mm

   

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Slit

Fatigue crack

1 mm

 

 

(a) South side  

(b) North side 

Photo 4. Fatigue crack at upper part of Rib 8 slit after 0.1 Mcycles loading without angle steels 

Figure 7 shows the relationship between the fatigue crack length and the number of loading 
cycles. The vertical axis represents the fatigue crack length, while the horizontal axis repre-
sents the number of loading cycles. Fatigue cracks of Rib 1 and Rib 8 continued to propagate 
slowly after propagating into the deck plate. After 11.1 Mcycles loading, the fatigue cracks 
of Rib 1 and Rib 8 propagated to about 40 mm and 25 mm length, respectively, but they did 
not propagate to the upper surface of the deck plate. Photo 5 and 6 show the fatigue cracks 

background image

Konstrukcje mostowe 

1281 

 

 

 

at the  upper  part  of  the  slit  after  11.1  Mcycles  loading.  Fatigue  cracks  were  not  observed 
in other welded joints between the bulb ribs and the transverse rib. 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0

10

20

30

40

Rib 1

Rib 8

South side

North side

Fatigue crack length

Deck plate

Weldment

Fatigue crack detection life 

is 8 times

5.4Mcycles 

Remove angle steels of Rib8

Deck plate

Weldment

 

F

at

ig

u

C

ra

ck

 L

en

g

th

 a

 [

m

m

Number of Loading Cycles N [Mcycle] 

Figure 7. Relationship between fatigue crack length and the number of loading cycles 

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Fatigue crack

40 mm

   

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Fatigue crack

42 mm

 

 

(a) South side  

(b) North side 

Photo 5. Fatigue Cracks at Upper Part of Rib 1 Slit after 11.1 Mcycles loading 

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Fatigue crack

24 mm

   

Lower surface of

deck plate

Weldment

Transwerse rib

Fatigue crack

14 mm

 

 

(a) South side  

(b) North side 

Photo 6. Fatigue Cracks at Upper Part of Rib 8 Slit after 11.1 Mcycles loading 

background image

1282 

Yamaoka D. i inni: Effect of reinforcing method against fatigue cracking of orthotropic… 

 

 

4. Conclusions 

4.1 Static loading test results 

1. In the case of loading the slit side of the bulb rib, the tensile stresses occurred at the upper 

and lower parts of the slit of the intersection of the bulb rib and the transverse rib. 

2. By applying angle steel reinforcement to the slit side of the bulb rib, the stress at the upper 

part of the slit decreased to approximately 30% (from 127 MPa to 38 MPa), and the stress 
at the lower part of the slit changed from a tensile stress(26 MPa) to a compressive stress 
(-86 MPa). 

4.2 Fatigue test results 

1. Fatigue cracks  were initiated at the  weld toe of the upper part of the  slit and propagated 

through  the  weldment  into  the  deck  plate.  After  propagating  into  the  deck  plate,  fatigue 
cracks continued to propagate slowly. 

2. It was confirmed that the fatigue crack detection life of the welded joint between the bulb 

rib  and  the  transverse  rib  was  improved  more  than  eight  times  by  applying  angle  steel 
reinforcement.  

References 

1.  Committee  of  JSCE  on  steel  structures.:  The  report  of  investigation  and  study  subcommittee 

on thick plate welded joints: 155-157, 2007,

 

(in Japanese). 

2.  Tabata  S.,  Yamamura  K.,  Hamada  N.,  Sakota  H.,  Sakai  Y.  and  Sakano  M.:  Experimental  study 

on the  reinforcing  method  against  fatigue  damage  at  the  welded  joint  between  bulb  rib  and  trans-
verse rib in orthotropic steel decks, Proceedings of the 62

nd 

Annual Meeting of JSCE, I-003, 2007, 

(in Japanese).