Vulnerability of reinforced concrete bridges to local scour in bridge management

Abstract

The road infrastructure around the world is impaired by natural hazards, inparticular with extreme flooding, which sever the road links and lead to serioussocio-economic consequences. The bridges, which are the most critical parts of roadlinks, are threatened even by less extreme floods with high occurrence rates. The localscour at bridge substructures associated with floods is regarded as the predominantcause of hazard triggered failures. Although the management of bridges exposed toflooding is not a new topic and has been extensively elaborated in the last 20 years, thecurrent Bridge Management Systems still cannot account for sudden events such as thelocal scour. The current procedures, which usually rest on qualitative approaches andregular inspections, do not give satisfactory results in scheduling the appropriate riskreducing interventions. The evaluation of real-time risk changes associated to thishazard is deemed necessary.The topic of the thesis is to present the basis of the novel methodology forquantitative vulnerability assessment of reinforced concrete bridges with shallowfoundations exposed to local scour. Here, the accent is set on the estimation of theconditional probability of a bridge failure due to a scouring event, while the relatedconsequences are beyond the scope of the thesis. Based on the scour critical bridges inthe Serbian road network, the reinforced concrete bridge types which are considered inthe analysis have multiple span double-tee main girders on common pier-foundationsystems.In order to solve the multidisciplinary problem of local scour action at bridgepiers and associated failures, it was essential to develop a typical bridge model andframework with a modest data set for its simple yet accurate analysis. As the generalapproach to analyze possible failure modes and consequently obtain the probability ofbridge failure, the water-soil-bridge interaction is suggested. In addition, the perfectlyrigid plastic behavior of soil and bridge is assumed to apply the upper bound theorem ofthe theory of plasticity.iiiThe first step in the analysis is the approximation of the local scour action andhere the choice of the appropriate local scour formula is discussed based on thestate-of-the-art research on pier scour, giving the advantage to the formulas that mayconsider temporal aspect. The scour cavities beneath the common pier-foundationsystems are given by the time-dependant local scour depth and their geometry isapproximated 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 tothe approximated scour cavities. The cavities` influence on the decrease of a bearingcapacity of the supporting soil at an affected pier is considered with basic kinematicmechanisms which are based on soil properties. The bridge resistance is given by plasticstrengths of its elements, which is based on structural system properties andreinforcement detailing.The soil-bridge model is defined, and separately for its longitudinal and lateraldirection, the adopted kinematic mechanisms in the supporting soil are coupled with thepossible failure modes of the bridge superstructure to reveal combinedfailure modes. These are consequently used in the optimization procedure, where theresistance of the model to local scour action is obtained as the ultimate horizontal scourextent beneath a shallow foundation.The uncertainties related to parameters used in the local scour evaluation, soilproperties and bridge elements’ properties are discussed as the essential topic incalculation of the conditional probability of a bridge failure relying on the state-of-theartresearch. In the example of a four span continuous bridge over a river channel, theconditional probabilities of the bridge failure are estimated in Monte Carlo simulationsfor four scenarios. Here, the limit state function accounts time-dependant local scourdepths and the resistance of the assumed soil-bridge model to local scour action at theaffected bridge pier.The presented soil-bridge model clarifies the behavior of multiple spanreinforced concrete girder bridges with shallow foundations in a scouring event. It setsthe 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 localscour, the combined resistance of the supporting soil and the bridge structure to localscour action is included as the essential ingredient, which has not been done in theup-to-date research. The suggested methodology for quantitative vulnerabilityassessment provides a basis for development of vulnerability maps for road networks inrespect to extreme flooding. These maps are going to be especially useful forunambiguous allocation of resources for mitigating the threat from future floodingevents 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 самимтим и до озбиљних социо-економских последица. Мостови као најкритичнијисегменти путних праваца су угрожени чак и са не тако екстреминм поплавама којеимају велику учесталост догађања. Локална ерозија речног дна код доњег стројамостова која се догађа у поплавама је највећи узрок отказа и оштећења мостоваизазваних природним непогодама. Иако тема управљања мостовима који суизложени поплавама није нова и значајно је обрађивана у предходних 20 година,данашњи Системи Управљања Мостовима и даље не узимају у обзир изненаднеекстремне догађаје као што је локална ерозија речног дна. Овај проблем се уданашњој прaкси углавном третира квалитативним приступом који се ослања набазу података мостова и регуларне инспекције, међутим то не даје задовољавајућерезултате и оценa промене ризика од екстеремних поплава у реалном времену сесматра неопходним.Тема ове тезе је представљање основе за нову методологију заквантитативну оцену угрожености армиранобетонских мостова са плиткофундираним темељима изложених локалној ерозији речног дна. Акценат јестављен на одређивање условне вероватноће лома моста услед локалне ерозијеречног дна док последице оваквог догађаја нису разматране у оквирима тезе.Базирајући се на мостовима који су угрожени ерозијом речног дна у путној мрежиСрбије, разматрани су континуални гредни армиранобетонски мостови са главнимносачем који има попречни пресек дуплог слова Т.Приликом решавања мултидисциплинарног проблема отказа моста уследлокалне ерозије речног дна код стубова, било је неопходно дефинисати типичнимодел тло-мост и поступак са ограниченим бројем улазних података потребних зањегову упрошћену али довољно прецизну анализу. Овде је као општи приступ заанализу могућих механизама лома модела и одређивање условне вероватноћелома разматрана интеракција вода-тло-мост и претпостављено је круто-пластичноviпонашање елемената модела како би се применила горња теорематеорије пластичности.Први корак у анализи је поједностављење начина деловања локалнеерозије речног дна око мостовских стубова и овде је разматрана могућостпримене формула за евалуацију локалне речне ерозије у оцени угроженостимостова, ослањајући се на савремена истраживања. Предност је дата онимформулама које могу узети у обзир раст дубине ерозије у току времена.Геометрија еродираног тла око и испод мостовских стубова је упрошћена тако дасе начин деловања локалне ерозије на кострукцију може посматрати крозравански проблем. Други корак у анализи је прорачун отпорности ослоначког тлаи мостовске конструкције на усвојену упрошћену геометрију поткопавањакод стубова. Овде је смањење граничне носивости тла моделирано уз помоћосновних кинематичких механизама који се заснивају на геотехничким својствиматла и узимају у обзир геометрију поткопавања. Отпорност мостовскеконструкције је узета у обзир преко пластичне носивости њених елемената,одређене на основу карактеристика конструктивног система моста идетаља армирања.За дефинисан модел тло-мост, посебно за подужни и попречни правацмоста, одређују се комбиновани механизми отказа тако што се доводе у везуусвојени кинематички механизми за тло и механизми лома горњег строја моста.Комбиновани механизми се потом користе у оптимизационој процедури где јемаксимална отпорност модела тло-мост одређена као највећи хоризонтални дометпоткопавања локалне ерозије речног дна код мостовског стуба.Неизвесности код одређивања параметара потребних код евалуацијелокалне речне ерозије, карактеристика тла и носивости елемената мостовскеконструкције су разматране на бази савремених истраживања као главна тема припрорачуну условне вероватноће отказа моста. На примеру континуалног моста начетири поља који прелази преко реке, срачунате су условне вероватноће ломамоста у Монте Карло симулацијама за четири сценарија. Овде је у граничнојфункцији узета у обзир временски зависна дубина локалне ерозије и отпорностмодела тло-мост на ширење зоне поткопавања код мостовског стуба.Представљени модел тло-мост разјашњава понашање плитко фундиранихконтинуалних гредних армиранобетонских мостова изложених деловању локалнеерозије речног дна и даје горњу границу простирања ерозије код мостовскихстубова која доводи до отказа конструкције. Као есенцијална компонента заанализу угрожености, разматрана је комбинована отпорност ослоначког тла имостовске конструкције на локалну ерозију речног дна, што није било темапредходних научних истраживања. Представљена методологија за квантитативнуоцену угрожености представља основу за развој мапа угрожености путних мрежау екстремним поплавама. Ове мапе ће посебно бити корисне код управљањаресурсима за ублажавање ризика од поплава као и за издавања раних упозорењана опасност у подручијима где се очекују поплаве великог интензитета.