Prediction of clear water local scour at bridge piers

In modern societies, the normal life of people is highly dependent on the operation of the infrastructures. Any disruption to the normal performance of these critical infrastructures can have negative impacts on the economy of the society and the welfare of the citizens. Bridges at river crossings, being one of the most important and vital infrastructures, are prone to a major damage during floods. Damage can be caused by various reasons; one of the main ones is riverbed scour at bridge foundations. The damage can range from minor erosion to complete failure of the bridge structure which can lead to death casualties and isolation of entire areas. In spite of the extensive research efforts on this topic, a general equation which can be able to predict the temporal evolution of scour depth is still missing due to the fact that the existing formulae are manly appropriate for the experiments that they are developed for. In this work, an extensive data set for long-duration, clear-water pier scour experiments has been considered. Data from several authors were used to fit a novel predictive equation for the temporal development of the maximum scour depth at a circular pier. Since the mentioned data by different authors were included in different frameworks, it was necessary to make them homogeneous and present them with the same parameters. In this respect, the approach flow velocity was one of the most influential parameters for the scour trend; some authors used a cross-sectional average flow velocity, some others used instead a depth-averaged value at mid-channel. Therefore, values were converted whenever necessary. A dimensionless framework was considered to highlight the most relevant parameters; the final predictive equation was the product of functions of the individual parameters. The most important dimensionless parameters were the flow shallowness, the sediment coarseness, the ratio of the flow velocity to the critical one, and the dimensionless time. The performance of the estimated scour function was finally compared to that of previous literature equations, documenting a general improvement of prediction capabilities. Author keywords: Bridge piers; Local scour; Temporal evolution; Scour prediction.

La funzionalità delle infrastrutture è cruciale per la società moderna e ogni fallanza delle stesse provoca conseguenze negative per l’economia e il benessere dei cittadini. I ponti fluviali non fanno eccezione, dal momento che eventuali danneggiamenti o crolli di queste strutture possono provocare ingenti danni, isolamento di territori e perdite di vite umane. La vulnerabilità dei ponti dipende da diversi fenomeni, tra i quali si possono includere i processi erosivi localizzati. A dispetto della grande mole di ricerche condotte su questi fenomeni, non sono ancora disponibili equazioni per la previsione dell’evoluzione temporale dell’erosione, che possano ritenersi di validità generale. Molto spesso la validità delle formule disponibili è limitata agli esperimenti condotti per ottenerle. In questo lavoro è stato analizzato un ampio campione di dati di letteratura, per il caso dell’erosione a una pila circolare in condizioni di acque chiare. È stata stimata una nuova equazione con l’obiettivo di rappresentare il complesso dei dati. I dati proposti dai singoli autori non sono in generale omogenei, perché ottenuti tramite procedure sperimentali diverse e inquadrati in schemi di riferimento diversi. È stato dunque necessario un lavoro di omogeneizzazione dei parametri. Uno di quelli più importanti è la velocità del flusso, che alcuni autori considerano media sulla sezione trasversale e altri sulla profondità. I valori di velocità sono stati convertiti laddove necessario. Un opportuno inquadramento adimensionale è stato usato per individuare i parametri di maggiore importanza: la snellezza della pila in relazione alla profondità della corrente, la dimensione dell’ostacolo rispetto a quella dei sedimenti, l’intensità del flusso rispetto alle condizioni critiche, e il tempo. La formula finale proposta è costituita da una produttoria di funzioni dei singoli parametri. La capacità della formula di prevedere i valori di erosione è stata confrontata con quella di analoghi strumenti disponibili in letteratura, riscontrando un generale miglioramento. Parole chiave: Pila di ponte; Erosione localizzata; Evoluzione temporale; Stima dell’erosione.