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Authors
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Abstract(s)
The major damage to bridges at river crossings occurs during floods. Damage is caused for various reasons, one of the main reasons being the riverbed scour at bridge foundations. Local scour is induced by the flow field generated around piers typically inserted in movable bed rivers. In Portugal, the tragic accident of Entre-os-Rios was mostly due to scour at one of the bridge piers.
Physical and economic reasons lead to bridge foundations composed of a pier column founded
on a pile cap, supported by an array of piles. Piers of this configuration are known as complex piers. Frequently the pile cap is completely buried, or in opposition, above the water, being the column or the pile group respectively the only structural element interacting with the flow and causing local scour. In modern bridges it is also common to find structural solutions where the deck is supported directly by pile groups composed of only one alignment, without pile cap. For scouring proposes the structural elements may be considered as single piers, pile groups and pier alignments.
The construction of new bridges and the maintenance of thousands of bridges built before the main developments in local scour prediction, amount to costs of billions of Euro and justifies a rigorous prediction of the scour depth, both for economic and safety of human lives reasons.
The present study develops an extensive research to systematically map equilibrium scour at single cylindrical piers and pile groups and relate the observations with the characteristic variables of the tests. Special attention is given to the effect of time, relative sediment size and relative approach flow depth at single cylindrical piers and spacing, skew-angle, number
of columns and time at pile groups. The pertinence of considering the effect of viscosity it is also assessed.
Using dimensional analysis, the following major conclusions are achieved. Regarding single cylindrical piers, it is discussed the required duration of the laboratory tests to render reliable equilibrium scour depths and it is confirmed that equilibrium scour depth decreases with the relative sediment size. It is suggested a predictor for the equilibrium scour depth at single cylindrical piers, function of relative sediment size and relative approach flow depth. The parameters of the equation suggested by Franzetti et al. (1982) are fully characterized rendering a predictor of the scour depth time evolution. Regarding pile groups and pier alignments, it is assessed the effect of the test duration on the equilibrium scour depth and it
is confirmed that the spacing factor and the factor for the number of aligned rows
recommended in the predictors commonly used in engineering practice are reliable since the scour depth at single cylindrical piers and pile groups remain essentially self-similar in time. The prediction of the equilibrium scour depth at pile groups is improved by the suggestion of a aggregate pile group factor, function of the pile spacing, skew-angle and number of parallel pile alignments. Finally it is revealed that the viscosity may affect scouring in laboratory tests.
Os principais danos em pontes ocorrem em cenários de cheias. Os danos são causados por diversas razões, sendo a principal a erosão do leito do rio no local das fundações da ponte. A erosão localizada é induzida pelo campo de escoamento gerado em torno dos pilares, tipicamente localizados em fundos de leito móvel. Em Portugal, o acidente de Entre-os-Rios, ocorreu em parte devido à erosão localizada em um dos pilares. Razões físicas e económicas determinam que com frequência os pilares de pontes sejam compostos por coluna, maciço de encabeçamento e grupo de estacas. Pilares com esta configuração são designados por pilares complexos. É comum encontrar casos onde o maciço de encabeçamento está completamente enterrado, ou em oposição, está acima da superfície do escoamento, com a coluna ou o grupo de estacas, respectivamente, sendo o único elemento estrutural interagindo com o escoamento e provocando erosões localizadas. Nas pontes modernas também é comum encontrar soluções estruturais em que o tabuleiro é suportado directamente por grupos de estacas compostos por um único alinhamento, sem o maciço de encabeçamento. Para a analise da erosão os elementos estruturais são considerados pilares isolados, grupos de estacas e alinhamentos de pilares, respectivamente. A construção de novas pontes e a manutenção de milhares de pontes construídas antes dos principais desenvolvimentos na previsão da profundidade de cavidades de erosão, somam custos de biliões de Euros e justificam a previsão rigorosa da profundidade de erosão, por razões económicas e de segurança de vidas humanas. O presente estudo apresenta uma extensa campanha experimental que sistematicamente caracteriza as profundidades de equilíbrio da cavidade de erosão em pilares isolados e grupos de estacas, relacionando as observações com as variáveis características dos ensaios. É dada atenção à caracterização do efeito do tempo, tamanho relativo do sedimento e profundidade relativa do escoamento de aproximação em pilares cilíndricos isolados e ao efeito do espaçamento, enviesamento, numero de colunas e tempo em grupos de estacas. Também é analisada a importância de considerar o efeito da viscosidade. Com base na analise dimensional, são obtidas as seguintes conclusões. No âmbito dos pilares cilíndricos isolados, é analisada a duração mínima de ensaios laboratoriais para obter com rigor as profundidades de equilíbrio das cavidades de erosão e é comprovado que a profundidade de equilíbrio decresce com o aumento da dimensão relativa do sedimento. É proposto um modelo de previsão da profundidade de equilíbrio da cavidade de erosão, função da dimensão relativa do sedimento e da profundidade relativa do escoamento de aproximação. A previsão da evolução temporal é conseguida pela caracterização dos parâmetros da equação de Franzetti et al. (1982). Em relação aos grupos de estacas e alinhamentos de pilares, é analisado o efeito da duração dos ensaios na profundidade de equilíbrio da cavidade de erosão e confirma-se que o coeficiente do espaçamento e do número de linhas recomendados pelos métodos mais utilizados na prática da engenharia são fiáveis porque a profundidade de erosão em pilares cilíndricos isolados e em grupos de estacas é aproximadamente semelhante no tempo. É dado um contributo na previsão da profundidade de erosão em grupos de estacas através da proposta de um coeficiente agregado função do espaçamento entre estacas, ângulo de enviesamento e numero de colunas. Finalmente é revelado que a viscosidade pode influenciar o processo erosivo em ensaios laboratoriais.
Os principais danos em pontes ocorrem em cenários de cheias. Os danos são causados por diversas razões, sendo a principal a erosão do leito do rio no local das fundações da ponte. A erosão localizada é induzida pelo campo de escoamento gerado em torno dos pilares, tipicamente localizados em fundos de leito móvel. Em Portugal, o acidente de Entre-os-Rios, ocorreu em parte devido à erosão localizada em um dos pilares. Razões físicas e económicas determinam que com frequência os pilares de pontes sejam compostos por coluna, maciço de encabeçamento e grupo de estacas. Pilares com esta configuração são designados por pilares complexos. É comum encontrar casos onde o maciço de encabeçamento está completamente enterrado, ou em oposição, está acima da superfície do escoamento, com a coluna ou o grupo de estacas, respectivamente, sendo o único elemento estrutural interagindo com o escoamento e provocando erosões localizadas. Nas pontes modernas também é comum encontrar soluções estruturais em que o tabuleiro é suportado directamente por grupos de estacas compostos por um único alinhamento, sem o maciço de encabeçamento. Para a analise da erosão os elementos estruturais são considerados pilares isolados, grupos de estacas e alinhamentos de pilares, respectivamente. A construção de novas pontes e a manutenção de milhares de pontes construídas antes dos principais desenvolvimentos na previsão da profundidade de cavidades de erosão, somam custos de biliões de Euros e justificam a previsão rigorosa da profundidade de erosão, por razões económicas e de segurança de vidas humanas. O presente estudo apresenta uma extensa campanha experimental que sistematicamente caracteriza as profundidades de equilíbrio da cavidade de erosão em pilares isolados e grupos de estacas, relacionando as observações com as variáveis características dos ensaios. É dada atenção à caracterização do efeito do tempo, tamanho relativo do sedimento e profundidade relativa do escoamento de aproximação em pilares cilíndricos isolados e ao efeito do espaçamento, enviesamento, numero de colunas e tempo em grupos de estacas. Também é analisada a importância de considerar o efeito da viscosidade. Com base na analise dimensional, são obtidas as seguintes conclusões. No âmbito dos pilares cilíndricos isolados, é analisada a duração mínima de ensaios laboratoriais para obter com rigor as profundidades de equilíbrio das cavidades de erosão e é comprovado que a profundidade de equilíbrio decresce com o aumento da dimensão relativa do sedimento. É proposto um modelo de previsão da profundidade de equilíbrio da cavidade de erosão, função da dimensão relativa do sedimento e da profundidade relativa do escoamento de aproximação. A previsão da evolução temporal é conseguida pela caracterização dos parâmetros da equação de Franzetti et al. (1982). Em relação aos grupos de estacas e alinhamentos de pilares, é analisado o efeito da duração dos ensaios na profundidade de equilíbrio da cavidade de erosão e confirma-se que o coeficiente do espaçamento e do número de linhas recomendados pelos métodos mais utilizados na prática da engenharia são fiáveis porque a profundidade de erosão em pilares cilíndricos isolados e em grupos de estacas é aproximadamente semelhante no tempo. É dado um contributo na previsão da profundidade de erosão em grupos de estacas através da proposta de um coeficiente agregado função do espaçamento entre estacas, ângulo de enviesamento e numero de colunas. Finalmente é revelado que a viscosidade pode influenciar o processo erosivo em ensaios laboratoriais.
Description
Keywords
Pontes - Elementos estruturais - Erosão Erosão localizada - Pilares Erosão localizada - Estacas Erosão localizada - Profundidade relativa do escoamento Erosão localizada - Dimensão relativa do sedimento Erosão localizada - Tempo