Seismic behavior of long-span arch culverts

Alper Turan, M. Hesham El Naggar

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Buried Structures & Subsurface Systems

ABSTRACT: Large span arch culvert (LSAC) structures have suffered minimum or no damage during past seismic events. This satisfactory seismic performance can largely be attributed to unique load distribution between the arch culvert and the surrounding engineered backfill. However, there are case histories documenting the failure of these structures under static loads due to asymetric load distribution along the culvert arch. The asymetric distribution of the backfill density and local loss of confinement around the arch may result in substantial servicability problems or even structural damage of arch culverts under static loads. This study focuses on the effect of backfill compaction on the distribution of seismic forces within the culvert-soil system. The study comprises static and dynamic explicit nonlinear finite difference analyses in order to account for large strains expected during strong earthquakes. The effects of soil structure interaction (SSI) on the ground motion as well as the effect of dynamic loading amplitudes on the s moments and thrusts are examined considering various compaction arrangements. It was found that SSI has a significant effect on the ground motions. The results indicated that significant increases in the moments and thrusts of LSAC may occur due to the seismic loads and the backfill arrangements can substaintially magnify these increases.

RÉSUMÉ: Grande durée de ponceau voûté (GDPV) structures ont subi au moins ou pas de dommages au cours des derniers événements sismiques. Cette performance satisfaisante sismique peut largement être attribuée à la répartition des charges unique entre le ponceau voûté et le remblai autour d'ingénierie. Cependant, il ya des histoires de cas qui documente l'échec de ces structures sous charges statiques dues à la répartition de la charge asymétrique le long de la voûte du ponceau. La répartition asymétrique de la densité de remblayage et de perte locale de confinement autour de l'arc peut entraîner des problèmes serviabilité importante, voire des dommages structuraux des ponceaux voûtés sous les charges statiques. Cette étude porte sur l'effet de compactage du remblai sur la répartition des forces sismiques dans le système de drainage-sol. L'étude comprend statique et dynamique non linéaire explicite des analyses de différences finies afin de tenir compte des grandes déformations attendus au cours de forts tremblements de terre. Les effets de l'interaction de la structure du sol (ISS) sur le mouvement du sol ainsi que l'effet des amplitudes de chargement dynamique des moments de l'arc et les orientations sont examinées compte tenu des dispositions de compactages différents. Il a été constaté un effet significatif sur les mouvements du sol. Les résultats indiquent que des augmentations significatives dans les moments et les axes de GDPV peut se produire en raison des charges sismiques et les modalités de remblai peut substaintially magnifier ces augmentations.

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Cite this article:
Alper Turan; M. Hesham El Naggar (2011) Seismic behavior of long-span arch culverts in GEO2011. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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