Experimental and numerical investigations on wood accumulation at bridge piers with different shapes

De Cicco, Pina Nicoletta

Wood accumulation at bridges exerts additional forces to the structures and aggravates local scouring around piers, which may result to bridge failure. Moreover, it may considerably reduce the flow opening causing higher flow levels and inundation of nearby areas. On the other hand, the important ecological role of instream wood in fluvial systems calls for a compromise between preservation of river ecosystems and prevention of instream wood-related hazards. The present PhD research aims to enhance the knowledge on the process of interaction between wood and bridge piers. The two main objectives were first to find the wood accumulation probability (here called "blockage probability") as a function of the bridge pier geometry (with a focus on non-standard pier shapes typical of historical cities), hydraulic conditions of the approaching flow, and wood transport regime, second to assess the capability of 2D and 3D numerical models in reproducing the interaction between wood and structures (i.e. the bridge pier). The combined experimental and numerical research approach is used. The results showed that blockage probability at the flatter pier shape is three times greater than the triangular shaped piers, in congested wood transport regime and at high Froude number (in this case Fr=0.5). In case of Ogival pier, zero blockage probability was found for both cases of Froude numbers. Potential flow analysis indicated that the lower curvature of the streamlines at the rounded pier favours the log sliding the pier. Despite the capability of the 2D model in reproducing the log transport, the discrepancy between experimental and the 2D numerical results showed the inability of modelling the important secondary flows and the log-pier interactions. Furthermore, the 3D modelling allowed to reproduce the 3D character of the wood-pier interaction process as the logs that move along the vertical upstream face of the pier, the non-elastic collision between logs and between logs and the pier, and the skin friction of logs. Finally, one of the main novelties of the current research is represented by the definition of a new pier hydraulic-shape coefficient (c pier) that takes into account the shape of the pier and the 2D velocity flow field upstream of the pier. The thesis was also successful in defining the joint blockage probability at a bridge pier for the prevailing variables used in the study. The concept should find applications both in research and practical situation.

Holzansammlungen an Brückenpfeilern üben zusätzliche Kräfte auf die Bauwerke aus und verstärken Auskolkungen, was zum Versagen des Bauwerks führen kann. Darüber hinaus kann es die Durchlassöffnung reduzieren, was zu höheren Strömungsniveaus und Überschwemmungen angrenzender Gebiete führen kann. Auf der anderen Seite verlangt die ökologische Rolle des Baumbewuchses in Flussläufen einen Kompromiss zwischen der Erhaltung der Ökosysteme und der Gefahrenvorbeugung durch Treibholz. Diese Arbeit hat das Ziel das Wissen über die Treibholz-Brückenpfeiler-Interaktion zu verbessern. Das erste Ziel ist die Wahrscheinlichkeitsermittlung der Treibholzansammlung ("Blockier-Wahrscheinlichkeit") als Funktion der Pfeiler-Geometrie (Fokus auf atypische Pfeilerformen in historischen Städten), der hydraulischen Bedingungen, dem Durchfluss und des vorherrschenden Holztransportsystems. Das zweite Ziel ist die Bewertung von numerischen 2D und 3D Modellen hinsichtlich der Treibholz-Brückenpfeiler-Wechselwirkung. Dazu wird ein experimentell-numerischer Forschungsansatz verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Blockier-Wahrscheinlichkeit an geraden Pfeilerform dreimal größer ist als an dreieckig geformten Pfeiler, im überfüllten Holztransportregime und bei einer hohen Froude-Zahl(Fr=0,5). Im Falle eines spitzovalen Pfeilers wurde für beide Froude-Fälle eine Null-Blockier-Wahrscheinlichkeit ermittelt. Die potenzielle Strömungsanalyse zeigt, dass die geringere Krümmung der Strömungslinien am abgerundeten Brückenpfeiler das Treibholz vorbei gleiten lässt. Das 2D-Modell gibt den Holztransport gut wieder. Die Diskrepanz zwischen den experimentellen und den 2D-numerischen Ergebnissen zeigt die Unfähigkeit, die Sekundärströme und die Treibholz-Pfeiler-Interaktion zu modellieren. Die 3D-Modellierung gibt den 3D-Charakter der Treibholz-Pfeiler-Interaktion wieder, wie z.B. die vertikale Bewegung des Treibholzes entlang des Pfeilers, die nicht-elastische Kollision zwischen Treibholz und Pfeiler, sowie die Reibung zwischen den Baumstämmen. Schließlich wird eine Neuheit der aktuellen Forschung durch die Definition eines neuen hydraulischen Formkoeffizienten für Brückenpfeiler (c pier) vorgestellt. Dieser berücksichtigt die Pfeilerform und die Geschwindigkeiten des 2D-Strömungsfeldes vor dem Pfeiler. Diese Arbeit war bei der Definition der zusammengesetzten Blockier-Wahrscheinlichkeit an Brückenpfeilern erfolgreich. Das Konzept sollte sowohl in der Forschung als auch in der Praxis Anwendung finden.

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De Cicco, Pina: Experimental and numerical investigations on wood accumulation at bridge piers with different shapes. 2018.

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