Vulnerability of reinforced concrete bridges to local scour in bridge management

Abstract

The road infrastructure around the world is impaired by natural hazards, in particular with extreme flooding, which sever the road links and lead to serious socio-economic consequences. The bridges, which are the most critical parts of road links, are threatened even by less extreme floods with high occurrence rates. The local scour at bridge substructures associated with floods is regarded as the predominant cause of hazard triggered failures. Although the management of bridges exposed to flooding is not a new topic and has been extensively elaborated in the last 20 years, the current Bridge Management Systems still cannot account for sudden events such as the local scour. The current procedures, which usually rest on qualitative approaches and regular inspections, do not give satisfactory results in scheduling the appropriate risk reducing interventions. The evaluation of real-time risk changes associated to this hazard is deemed necessary. The topic of the thesis is to present the basis of the novel methodology for quantitative vulnerability assessment of reinforced concrete bridges with shallow foundations exposed to local scour. Here, the accent is set on the estimation of the conditional probability of a bridge failure due to a scouring event, while the related consequences are beyond the scope of the thesis. Based on the scour critical bridges in the Serbian road network, the reinforced concrete bridge types which are considered in the analysis have multiple span double-tee main girders on common pier-foundation systems. In order to solve the multidisciplinary problem of local scour action at bridge piers and associated failures, it was essential to develop a typical bridge model and framework with a modest data set for its simple yet accurate analysis. As the general approach to analyze possible failure modes and consequently obtain the probability of bridge failure, the water-soil-bridge interaction is suggested. In addition, the perfectly rigid plastic behavior of soil and bridge is assumed to apply the upper bound theorem of the theory of plasticity. iii The first step in the analysis is the approximation of the local scour action and here the choice of the appropriate local scour formula is discussed based on the state-of-the-art research on pier scour, giving the advantage to the formulas that may consider temporal aspect. The scour cavities beneath the common pier-foundation systems are given by the time-dependant local scour depth and their geometry is approximated in order to simplify the local scour action to a plane strain problem. The second step in the analysis is evaluation of supporting soil and bridge resistances to the approximated scour cavities. The cavities` influence on the decrease of a bearing capacity of the supporting soil at an affected pier is considered with basic kinematic mechanisms which are based on soil properties. The bridge resistance is given by plastic strengths of its elements, which is based on structural system properties and reinforcement detailing. The soil-bridge model is defined, and separately for its longitudinal and lateral direction, the adopted kinematic mechanisms in the supporting soil are coupled with the possible failure modes of the bridge superstructure to reveal combined failure modes. These are consequently used in the optimization procedure, where the resistance of the model to local scour action is obtained as the ultimate horizontal scour extent beneath a shallow foundation. The uncertainties related to parameters used in the local scour evaluation, soil properties and bridge elements’ properties are discussed as the essential topic in calculation of the conditional probability of a bridge failure relying on the state-of-theart research. In the example of a four span continuous bridge over a river channel, the conditional probabilities of the bridge failure are estimated in Monte Carlo simulations for four scenarios. Here, the limit state function accounts time-dependant local scour depths and the resistance of the assumed soil-bridge model to local scour action at the affected bridge pier. The presented soil-bridge model clarifies the behavior of multiple span reinforced concrete girder bridges with shallow foundations in a scouring event. It sets the upper bound of the local scour extent at bridge piers necessary to trigger a failure. Here, in the calculation of the conditional probability of a bridge failure due to local scour, the combined resistance of the supporting soil and the bridge structure to local scour action is included as the essential ingredient, which has not been done in theup-to-date research. The suggested methodology for quantitative vulnerability assessment provides a basis for development of vulnerability maps for road networks in respect to extreme flooding. These maps are going to be especially useful for unambiguous allocation of resources for mitigating the threat from future flooding events and issuing timely warnings in the regions where intensive flooding is expected.

Путна инфраструктура широм света је угрожена природним непoгодама, посебно са ектремним поплавама, које доводе до прекида путних праваца а самим тим и до озбиљних социо-економских последица. Мостови као најкритичнији сегменти путних праваца су угрожени чак и са не тако екстреминм поплавама које имају велику учесталост догађања. Локална ерозија речног дна код доњег строја мостова која се догађа у поплавама је највећи узрок отказа и оштећења мостова изазваних природним непогодама. Иако тема управљања мостовима који су изложени поплавама није нова и значајно је обрађивана у предходних 20 година, данашњи Системи Управљања Мостовима и даље не узимају у обзир изненадне екстремне догађаје као што је локална ерозија речног дна. Овај проблем се у данашњој прaкси углавном третира квалитативним приступом који се ослања на базу података мостова и регуларне инспекције, међутим то не даје задовољавајуће резултате и оценa промене ризика од екстеремних поплава у реалном времену се сматра неопходним. Тема ове тезе је представљање основе за нову методологију за квантитативну оцену угрожености армиранобетонских мостова са плитко фундираним темељима изложених локалној ерозији речног дна. Акценат је стављен на одређивање условне вероватноће лома моста услед локалне ерозије речног дна док последице оваквог догађаја нису разматране у оквирима тезе. Базирајући се на мостовима који су угрожени ерозијом речног дна у путној мрежи Србије, разматрани су континуални гредни армиранобетонски мостови са главним носачем који има попречни пресек дуплог слова Т. Приликом решавања мултидисциплинарног проблема отказа моста услед локалне ерозије речног дна код стубова, било је неопходно дефинисати типични модел тло-мост и поступак са ограниченим бројем улазних података потребних за његову упрошћену али довољно прецизну анализу. Овде је као општи приступ за анализу могућих механизама лома модела и одређивање условне вероватноће лома разматрана интеракција вода-тло-мост и претпостављено је круто-пластично vi понашање елемената модела како би се применила горња теорема теорије пластичности. Први корак у анализи је поједностављење начина деловања локалне ерозије речног дна око мостовских стубова и овде је разматрана могућост примене формула за евалуацију локалне речне ерозије у оцени угрожености мостова, ослањајући се на савремена истраживања. Предност је дата оним формулама које могу узети у обзир раст дубине ерозије у току времена. Геометрија еродираног тла око и испод мостовских стубова је упрошћена тако да се начин деловања локалне ерозије на кострукцију може посматрати кроз равански проблем. Други корак у анализи је прорачун отпорности ослоначког тла и мостовске конструкције на усвојену упрошћену геометрију поткопавања код стубова. Овде је смањење граничне носивости тла моделирано уз помоћ основних кинематичких механизама који се заснивају на геотехничким својствима тла и узимају у обзир геометрију поткопавања. Отпорност мостовске конструкције је узета у обзир преко пластичне носивости њених елемената, одређене на основу карактеристика конструктивног система моста и детаља армирања. За дефинисан модел тло-мост, посебно за подужни и попречни правац моста, одређују се комбиновани механизми отказа тако што се доводе у везу усвојени кинематички механизми за тло и механизми лома горњег строја моста. Комбиновани механизми се потом користе у оптимизационој процедури где је максимална отпорност модела тло-мост одређена као највећи хоризонтални домет поткопавања локалне ерозије речног дна код мостовског стуба. Неизвесности код одређивања параметара потребних код евалуације локалне речне ерозије, карактеристика тла и носивости елемената мостовске конструкције су разматране на бази савремених истраживања као главна тема при прорачуну условне вероватноће отказа моста. На примеру континуалног моста на четири поља који прелази преко реке, срачунате су условне вероватноће лома моста у Монте Карло симулацијама за четири сценарија. Овде је у граничној функцији узета у обзир временски зависна дубина локалне ерозије и отпорност модела тло-мост на ширење зоне поткопавања код мостовског стуба.Представљени модел тло-мост разјашњава понашање плитко фундираних континуалних гредних армиранобетонских мостова изложених деловању локалне ерозије речног дна и даје горњу границу простирања ерозије код мостовских стубова која доводи до отказа конструкције. Као есенцијална компонента за анализу угрожености, разматрана је комбинована отпорност ослоначког тла и мостовске конструкције на локалну ерозију речног дна, што није било тема предходних научних истраживања. Представљена методологија за квантитативну оцену угрожености представља основу за развој мапа угрожености путних мрежа у екстремним поплавама. Ове мапе ће посебно бити корисне код управљања ресурсима за ублажавање ризика од поплава као и за издавања раних упозорења на опасност у подручијима где се очекују поплаве великог интензитета.