A numerical analysis on the effect of scouring on the dynamic response of a real viaduct

This thesis presents a comprehensive numerical investigation into the effects of lateral scouring on the dynamic response of the Inverso Pinasca viaduct. The study integrates structural analysis, soil characterization, and advanced finite element modelling to assess the impact of scour on the structural behaviour of the viaduct under different dynamic loading conditions, including traffic and seismic loads. The research starts with a structural description of the viaduct, detailing its geometric and material properties to establish a foundation for subsequent analyses. This is followed by a characterization of the underlying soil, which is crucial for understanding the interaction between the substructure and its environment. A finite element model is developed to simulate the structural behaviour of the viaduct, incorporating soil-structure interaction effects to provide realistic boundary conditions. Special attention is given to laterally loaded piles, as they form the primary foundation system of the viaduct, and their typical behaviour is examined in depth. A modal analysis is then conducted to assess the influence of scouring on the natural frequencies and mode shapes of the bridge. The study further explores the effects of moving loads, evaluating how scour-induced stiffness reductions alter the dynamic response of the structure in this case. Finally, a seismic analysis is performed to examine the structural response under earthquake loading, demonstrating how scouring amplifies deformations and internal forces, thereby increasing the vulnerability of the viaduct in seismic-prone regions. The findings underscore the critical importance of accounting for scour effects in structural assessments, particularly in regions susceptible to seismic activity. The results highlight that scouring can lead to significant modifications in dynamic characteristics and amplification in the seismic response of the structure, potentially compromising its integrity and safety. Peak horizontal displacements at the scoured piers increase by over 15%, deck vertical ones by over 10%. The same effect is not found for the moving loads, for which the tests have shown identical behaviour of the scoured and unscoured models.

Questa tesi sviluppa un'analisi numerica sull'effetto dello scalzamento laterale sulla risposta dinamica del viadotto di Inverso Pinasca. Integrando analisi strutturale, caratterizzazione del suolo e modellazione agli elementi finiti, lo scopo di questo studio è di determinare l'impatto dello scalzamento sul comportamento della struttura quando caricata con carichi dinamici, nello specifico carichi viaggianti e sismici. La tesi inizia con una descrizione della struttura del viadotto in esame, approfondendo la sua geometria e le caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati procedendo quindi con una caratterizzazione del suolo sottostante. Un modello agli elementi finiti del viadotto è stato realizzato per simulare il comportamento della struttura, tenendo in considerazione l'interazione con il terreno realizzata mediante molle non lineari. Ciò risulta fondamentale per la comprensione dell'interazione fra la struttura e il terreno in particolare per il caso dei pali caricati lateralmente, allo studio dei quali è dedicata un'analisi più approfondita. L'analisi modale realizzata sulla struttura ha evidenziato l'effetto dello scalzamento sulle sue frequenze naturali e sui modi di vibrare. Il comportamento dinamico della struttura è stato poi studiato simulando la presenza di carichi viaggianti per valutare anche in questo caso la presenza di effetti dovuti all'erosione. Infine è stata realizzata un'analisi sismica che ha dimostrato come lo scalzamento amplifichi le deformazioni e le sollecitazioni della struttura aumentandone la vulnerabilità in zone sismiche. I risultati dello studio evidenziano l'importanza della valutazione dell'erosione nell'analisi di strutture esistenti e dimostrano come questo fenomeno possa condurre a modifiche significative nel comportamento dinamico e amplificazione della risposta in termini di spostamenti, compromettendone potenzialmente l'integrità e la sicurezza. Gli spostamenti orizzontali delle pile scalzate aumentano di oltre il 15% rispetto al caso senza erosione, gli spostamenti verticali dell'impalcato di oltre il 10%. Al contrario per il carico viaggiante non sono stati riscontrate in nessun modo modifiche del comportamento dinamico della struttura.