Bending and shear load rating of an arch ring bridge

Abstract

This MS thesis entails an analytical study of the structural behavior of a concrete arch beam from the Lahontan Dam Spillway Bridge located in the city on Fallon, NV. This comes as a necessity from the U.S. Army Corps of Engineers specifically the Sacramento District due to the unknown capacity of the existing bridge. This project focuses on the load rating calculations for the bridge using two different methods of evaluation. The bridge was rated using the American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) standards which include the Load Factor Rating (LFR) and the Load Resistance Factor Rating (LRFR) methods. The bridge is 97 years old and consists of five continuous spans that have three cast-inplace reinforced concrete arch beams. The exterior beams have a stem width of half the size of the interior beam, therefore both beam types were evaluated for this study. At the time of this study the bridge had been closed for almost two years due to its uncertain structural conditions. Structural cracks were present on several locations along the bridge. Since the structural capacity of the bridge was unknown, it was necessary to perform a live load analysis with the intention of determining its safe live load carrying capacity. A finite element model (FEM) was developed to study in detail the performance of the arch beams under different load scenarios. The two structural parameters chosen for evaluation were the capacity under flexion and capacity under shear. The rating factors (RF) results for both design HS20-44 and HL93 notional vehicles were less than unity. Load rating results under the AASHTO legal loads, Type 3, Type 3S2 and Type 3-3 showed that the bridge requires a limit weight posting sign.

Esta investigación trata sobre el estudio analítico del comportamiento estructural de vigas de concreto con forma de arco en el puente conocido como “Lahontan Spillway” el cual está ubicado en la ciudad de Fallon, Nevada. La motivación de este estudio se fundamenta en la necesidad por parte del cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos específicamente del distrito de Sacramento, en establecer la capacidad de carga del puente con vigas en forma de arco. Este proyecto se enfoca en los cálculos de los factores de calificación utilizando los métodos de evaluación “Load Factor Rating” (LFR) y el “Load Resistance Factor Rating” (LRFR). Ambos métodos son regidos por la agencia “American Association of State Highway and Transportation Officials” (AASHTO). El puente tiene 97 años y consiste de cinco tramos continuos los cuales constan de tres vigas de hormigón reforzado con forma de arco. Las vigas exteriores tienen distinta área transversal que la viga interior, por lo que ambas vigas fueron estudiadas. Al momento del análisis, el puente llevaba cerrado al tráfico por un período de dos años debido a la condición estructural incierta. Fue necesario desarrollar un análisis de carga viva para determinar la carga máxima de servicio sobre el puente. Un modelo de elementos finitos fue desarrollado para poder estudiar el comportamiento de este tipo de vigas bajo distintos escenarios de carga. Los dos parámetros estructurales evaluados fueron la capacidad en flexión y en cortante. Los resultados del estudio usando los vehículos de diseño HS20-44 y HL 93 produjeron factores de calificación menores de uno, lo cual confirma la podre condición estructural del puente. Debido a esto se realizó un nuevo análisis de calificación donde se utilizaron los vehículos legales, Tipo 3, Tipo 3S2 y el Tipo 3-3. Resultados provenientes de estos tres vehículos establecieron que el puente requiere un letrero el cual establezca el límite de capacidad.