Experimental study of local scour at complex bridge piers

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Effect of spacing and skew-angle on clear-water scour at pier alignments

Publication . Lança, Rui; Fael, Cristina; Pêgo, João; Maia, Rodrigo; Cardoso, António

Pier alignments, defined as single-row pier groups, displayed normal to main bridges’ axes, are frequently used to support bridge decks. Different alignments configurations, characterized by different combinations of piers’ shape and spacing and skew-angle of the alignment to the flow direction, lead to different interactions with the flow field and to different scour depths. Twenty six long lasting – 7 to 15 days – laboratory experiments were run under steady clear-water flow conditions, close to the threshold condition of beginning of sediment motion, to address the effect of pier spacing and skew-angle on the equilibrium scour depth. Alignments consisted of four cylindrical piers spaced of 1, 2, 3, 4.5 and 6 pier diameters; tested skew-angles were 0◦, 15◦, 30◦, 45◦ and 90◦. The main contribution of the paper derives from the long duration of the experiments. The functional relation of issued equilibrium scour depth with pier spacing and skew-angle is established and the dependence of the traditional group correction factor on the same variables is defined.

2012-09Journal article

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Erosões localizadas junto de pilares simples: efeito do diâmetro relativo do sedimento na profundidade de equilibrio de cavidades de erosão

Publication . Lança, Rui; Pêgo, João; Maia, Rodrigo; Fael, Cristina

A comunicação apresenta os resultados preliminares de ensaios experimentais, sobre erosões localizadas junto a pilares cilíndricos isolados, realizados nos Laboratórios de Hidráulica das Faculdades de Engenharia da Universidade da Beira Interior (UBI) e da Universidade do Porto (FEUP). Nesse âmbito, foram realizados treze ensaios com o objectivo de analisar o efeito do diâmetro relativo do sedimento e da profundidade relativa do escoamento de aproximação na profundidade de equilíbrio das cavidades de erosão normalizada pelo diâmetro do pilar. Os ensaios foram realizados em condições de leito fixo (i.e., sem transporte sólido generalizado) e com durações compreendidas entre 4,1 e 12,9 dias. O conjunto de ensaios foi definido de modo a que a gama de parâmetros utilizada fosse o mais alargada possível, perspectivando, desta forma, tirar conclusões mais abrangentes do que as correspondentes à maioria dos trabalhos existentes neste domínio. As séries temporais do desenvolvimento da profundidade máxima das cavidades de erosão em pilares cilíndricos isolados foram analisadas e tratadas de acordo com metodologia proposta por Lança et al. (2010). Os resultados revelam que há uma forte dependência entre a profundidade de equilíbrio das cavidades de erosão em pilares cilíndricos isolados e o diâmetro relativo do sedimento, confirmando os resultados apresentados por Sheppard et al. (1995; 1999; 2004). Contrariando o instituído por alguma literatura da especialidade de referência, foi observado que a profundidade de equilíbrio das cavidades de erosão normalizada pelo diâmetro do pilar decresce com o diâmetro relativo do sedimento para valores superiores a ~100. Este efeito é possivelmente uma das causas da sobrestimação da profundidade de equilíbrio das cavidades de erosão obtidas através de fórmulas de uso reconhecido e que foram determinadas com base em trabalhos laboratoriais.

2011-02-06Conference object

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Local scour at single piers revisited

Publication . Fael, Cristina; Lança, Rui; Couto, Lúcia; Cardoso, António

The paper summarizes recent contributions of the authors on the effects of relative flow depth,relative sand size, time and fluid viscosity, on the scour depth at single piers. These contributions rely on unique experiments in the sense that they are systematically longer than the vast majority of those found in the literature. The characterization of the effects of relative sand size and time is further improved as compared with existing literature while the effect of the relative flow depth confirms previous findings. New predictors are suggested. Viscous effects conveyed by the approach flow seem non-negligible; this is a new contribution that deserves further research.

2014Conference object

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Clear-water scour at comparatively large cylindrical piers

Publication . Lança, Rui; Fael, Cristina; Maia, Rodrigo; Pêgo, João; Cardoso, António

New long-duration clear-water scour data were collected at single cylindrical piers with the objective of investigating the effect of sediment coarseness, Dp=D50 (Dp = pier diameter; D50 = median grain size) on the equilibrium scour depth and improving the scour depth time evolution modeling by making use of the exponential function suggested in the literature. Experiments were carried out for the flow intensity close to the threshold condition of initiation of sediment motion, imposing wide changes of sediment coarseness and flow shallowness, d=Dp (d = approach flow depth). The effect of sediment coarseness on the equilibrium scour depth was identified; existing predictors were modified to incorporate this effect for U=Uc ≈ 1.0; Dp=D50 > ≈60 and d=Dp ≥ 0.5; the complete characterization of a known scour depth time evolution model was achieved for U=Uc ≈ 1.0, 60 < Dp=D50 < 500 and 0.5 ≤ d=Dp ≤ 5.0.

2013-11Journal article

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Erosões localizadas junto de alinhamentos de pilares cilindricos

Publication . Lança, Rui; Fael, Cristina; Maia, Rodrigo; Pêgo, João; Cardoso, António

É conhecido o facto de os pilares fundados em leitos aluvionares poderem dar origem a cavidades de erosão que, em circunstâncias excepcionais, induzem a queda desses pilares e o colapso ou a rotura parcial das pontes em que se integram. A previsão da profundidade de equilíbrio de cavidades de erosão constitui-se, por isso, num aspecto importante do projecto de pontes. Este desiderato, não sendo de concretização trivial para pilares isolados, é mais complexo no caso de alinhamentos de pilares, em face das interacções de vórtices e da interdependência de cavidades de erosão que tais alinhamentos originam. Este estudo centra-se na caracterização de cavidades de erosão junto de alinhamentos de pilares constituídos por quatro pilares cilíndricos. Analisa-se, em concreto, o efeito do espaçamento entre pilares e o efeito do ângulo de enviesamento. O estudo foi realizado para a situação mais desfavorável de profundidade e de velocidade do escoamento de aproximação, definida para a condição de início de movimento do material do fundo. Concluiu-se que, para ângulos de enviesamento de 0º e 15º, a profundidade de erosão é cerca de 15% superior à que se observa num pilar isolado e quase não varia com o espaçamento. Em contrapartida, para ângulos de 30º, 45º e 90º, as cavidades de erosão são sucessivamente menos profundas à medida que o espaçamento aumenta. Para espaçamentos (entre eixos de pilares) iguais ou superiores a seis vezes o diâmetro dos pilares, a profundidade de erosão é praticamente independente do ângulo de enviesamento. Quando o espaçamento é igual ao diâmetro do pilar, os alinhamentos podem ser tratados como um pilar de secção rectangular e topos arredondados que envolva os pilares justapostos; excluindo esta situação de espaçamento, as maiores profundidades de erosão obtêm-se para o ângulo de enviesamento de 30º. Pôde constatar-se que existem métodos de cálculo da profundidade de erosão para alinhamentos de pilares que podem conduzir a previsões largamente por defeito.

2012Conference object

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