Bridge scour monitoring technique using the vibratory response of rods embedded in the riverbed

Proceedings of 7th Transport Research Arena : TRA 2018, VIENNE, AUTRICHE, 16-/04/2018 - 16/09/2018; Local scour is a major risk threatening the stability and sustainability of bridges across rivers and in coastal areas. The main purpose of this paper is to propose a monitoring technique based on the dynamic response of rods embedded in the riverbed. First, extensive laboratory tests are conducted to investigate the effect of scour on the vibratory response of different rods in sand and in saturated clay soil. Secondly, a numerical finite element model is developed and validated with these laboratory tests. This model is then used to assess the effect of the added mass of water on the sensor. Finally, based on the numerical and experimental results, a simplified analytical cantilever model is proposed to correlate the dynamic response of the rods to the current scour depth. Document type: Conference objec

Vulnerability of civil engineering structures to scour

L'affouillement est l'arrachement et le transport des sédiments du lit d'un cours d'eau sous l'action érosive d'un écoulement hydraulique. Ce phénomène est accentué par la présence d'obstacles à l'écoulement, tels que les piles et culées de ponts, ou également les quais, les éoliennes et les oléoducs offshores dans un contexte maritime. La présence de fosses d'affouillement engendre une perte de la capacité portante de la structure et menace sa stabilité. Face à ce risque hydraulique, il est crucial de suivre en continu l'évolution de la profondeur d'affouillement au droit des ouvrages d'art et d'évaluer sa conséquence sur le comportement de la structure. Cette thèse est une contribution à l'utilisation de l'analyse vibratoire pour le suivi de l'affouillement, et à la compréhension des phénomènes d'interaction sol-structure mis en jeu. La démarche scientifique retenue intègre deux approches distinctes du suivi d'affouillement: indirecte et directe. L’approche indirecte a pour objectif le développement d'un capteur de profondeur d'affouillement (scour depth sensor SDS). Des études expérimentale et numérique ont été menées afin d'évaluer l'influence de l'affouillement, d'une part sur la réponse dynamique du capteur (fréquences, déformées modales et amortissement), d'autre part sur sa réponse statique sous chargement latéral. Sur la base des résultats obtenus, un modèle théorique de poutre équivalente a été proposé afin de lier la variation de la fréquence du capteur à la profondeur d'affouillement. L’approche directe s'intéresse à l'effet de l'affouillement sur la réponse dynamique de la structure elle-même. Des campagnes d'essais ont été menées sur des modèles réduits en canal hydraulique. Un intérêt particulier a été porté aux effets de la géométrie de la pile et de l'interaction pile-tablier. Un modèle analytique a été proposé pour prédire l'évolution de la fréquence des piles avec l'affouillement. Afin de valider ce modèle, ses résultats ont été comparés aux résultats des essais expérimentauxScour is the removal of riverbed sediments by the erosive action of flowing water. Scour depth is greater near structures as a result of the obstruction to the flow by bridge piers and abutments, or docks, wind turbines and offshore pipelines in a marine environment. The existence of scour holes may decrease the bearing capacity of the structure and threaten its stability. Therefore, it is crucial to develop monitoring techniques to track the evolution of scour depth in real-time and evaluate its consequences on the behaviour of the structure. This thesis is a contribution to the use of vibration based techniques for scour monitoring and provides an insight to the soil-structure interactions involved. Two proposed approaches can be distinguished in this study: indirect and direct. The indirect approach aims to develop a scour depth sensor (SDS). Experimental and numerical studies have been conducted to evaluate the effect of scour, on the one hand, on the dynamic response of the sensor (frequencies, modal shapes, damping), on the other hand, on its static response under lateral loading. Based on the findings, a theoretical model of an equivalent cantilever beam was proposed to predict the variation of the sensor frequency as a function of scour depth. The direct approach focuses on the effect of scour on the structure itself. To this end, experimental campaigns were conducted on laboratory scale models tested in a flume. Particular attention was paid to the effect of the pile geometry and the pile-deck interaction. An analytical model was proposed to correlate the variation of the pier frequency to scour depth. Experimental and numerical results were compared to assess the model validit

Vulnérabilité des ouvrages d'art au risque d'affouillement des fondations

Scour is the removal of riverbed sediments by the erosive action of flowing water. Scour depth is greater near structures as a result of the obstruction to the flow by bridge piers and abutments, or docks, wind turbines and offshore pipelines in a marine environment. The existence of scour holes may decrease the bearing capacity of the structure and threaten its stability. Therefore, it is crucial to develop monitoring techniques to track the evolution of scour depth in real-time and evaluate its consequences on the behaviour of the structure. This thesis is a contribution to the use of vibration based techniques for scour monitoring and provides an insight to the soil-structure interactions involved. Two proposed approaches can be distinguished in this study: indirect and direct. The indirect approach aims to develop a scour depth sensor (SDS). Experimental and numerical studies have been conducted to evaluate the effect of scour, on the one hand, on the dynamic response of the sensor (frequencies, modal shapes, damping), on the other hand, on its static response under lateral loading. Based on the findings, a theoretical model of an equivalent cantilever beam was proposed to predict the variation of the sensor frequency as a function of scour depth. The direct approach focuses on the effect of scour on the structure itself. To this end, experimental campaigns were conducted on laboratory scale models tested in a flume. Particular attention was paid to the effect of the pile geometry and the pile-deck interaction. An analytical model was proposed to correlate the variation of the pier frequency to scour depth. Experimental and numerical results were compared to assess the model validityL'affouillement est l'arrachement et le transport des sédiments du lit d'un cours d'eau sous l'action érosive d'un écoulement hydraulique. Ce phénomène est accentué par la présence d'obstacles à l'écoulement, tels que les piles et culées de ponts, ou également les quais, les éoliennes et les oléoducs offshores dans un contexte maritime. La présence de fosses d'affouillement engendre une perte de la capacité portante de la structure et menace sa stabilité. Face à ce risque hydraulique, il est crucial de suivre en continu l'évolution de la profondeur d'affouillement au droit des ouvrages d'art et d'évaluer sa conséquence sur le comportement de la structure. Cette thèse est une contribution à l'utilisation de l'analyse vibratoire pour le suivi de l'affouillement, et à la compréhension des phénomènes d'interaction sol-structure mis en jeu. La démarche scientifique retenue intègre deux approches distinctes du suivi d'affouillement: indirecte et directe. L’approche indirecte a pour objectif le développement d'un capteur de profondeur d'affouillement (scour depth sensor SDS). Des études expérimentale et numérique ont été menées afin d'évaluer l'influence de l'affouillement, d'une part sur la réponse dynamique du capteur (fréquences, déformées modales et amortissement), d'autre part sur sa réponse statique sous chargement latéral. Sur la base des résultats obtenus, un modèle théorique de poutre équivalente a été proposé afin de lier la variation de la fréquence du capteur à la profondeur d'affouillement. L’approche directe s'intéresse à l'effet de l'affouillement sur la réponse dynamique de la structure elle-même. Des campagnes d'essais ont été menées sur des modèles réduits en canal hydraulique. Un intérêt particulier a été porté aux effets de la géométrie de la pile et de l'interaction pile-tablier. Un modèle analytique a été proposé pour prédire l'évolution de la fréquence des piles avec l'affouillement. Afin de valider ce modèle, ses résultats ont été comparés aux résultats des essais expérimentau

Effect of Scour on the Natural Frequency Responses of Bridge Piers: Development of a Scour Depth Sensor

Local scour is the removal of soil around bridge foundations under the erosive action of flowing water. This hydraulic risk has raised awareness of the need for developing continuous monitoring techniques to estimate scour depth around bridge piers and abutments. One of the emerging techniques is based on monitoring the vibration frequency of either bridge piers or a driven sensor in the riverbed. The sensor proposed in this study falls into the second category. Some unresolved issues are investigated: the effect of the geometry and material of the sensor, the effect of the embedded length and the effect of soil type. To this end, extensive laboratory tests are performed using rods of different materials, with various geometries and lengths. These tests are conducted in both dry sand and a soft clayey soil. Since the sensor will be placed in the riverbed, it is crucial to evaluate the effect of immersed conditions on its response. A numerical 3D finite-element model was developed and compared against experimental data. This model was then used to compute the ‘wet’ frequencies of the sensor. Finally, based on both the experimental and numerical results, an equivalent cantilever model is proposed to correlate the variation of the frequency of the sensor to the scour depth

Distributed Optical Fiber-Based Approach for Soil-Structure Interaction

Scour is a hydraulic risk threatening the stability of bridges in fluvial and coastal areas. Therefore, developing permanent and real-time monitoring techniques is crucial. Recent advances in strain measurements using fiber optic sensors allow new opportunities for scour monitoring. In this study, the innovative optical frequency domain reflectometry (OFDR) was used to evaluate the effect of scour by performing distributed strain measurements along a rod under static lateral loads. An analytical analysis based on the Winkler model of the soil was carefully established and used to evaluate the accuracy of the fiber optic sensors and helped interpret the measurements results. Dynamic tests were also performed and results from static and dynamic tests were compared using an equivalent cantilever model.L'affouillement est un risque hydraulique menaçant la stabilité des ponts dans les zones fluviales et côtières. Par conséquent, le développement de techniques de surveillance permanentes et en temps réel est crucial. Avancées récentes dans les mesures de déformation à l'aide de capteurs à fibres optiques offrent de nouvelles opportunités pour la surveillance de l'affouillement. Dans cette étude, la réflectométrie innovante du domaine fréquentiel optique (OFDR) a été utilisée pour évaluer l'effet de l'affouillement en effectuant des mesures de déformation réparties le long d'une tige sous des charges latérales statiques.Une analyse analytique basée sur le modèle Winkler du sol a été soigneusement établie et utilisée pour évaluer la précision des capteurs à fibre optique et aider à interpréter les résultats des mesures.Des tests dynamiques ont également été effectués et les résultats des tests statiques et dynamiques ont été comparés en utilisant un modèle en porte-à-faux équivalent