M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

13
M27BE Bridge Engineering Neil Tsang – Bridge Temperature 1 October 2011 Coventry University Department of Civil Engineering, Architecture and Building MSc BRIDGE ENGINEERING MODULE TRAFFIC LOADS ON BRIDGES In Eurocodes, loadings on bridges are governed by BS EN 1990 Basis of structural design and BS EN 1991 – Actions on structures. BS EN 199117 General actions – Accidental actions and BS EN 19912 Traffic loads on bridges are particular relevant to the evaluation of traffic loads on bridges. In this notes, only the most basic traffic loads are covered, please refer to the original EN document for further detail of various types of traffic loads and combinations. INTRODUCTION Bridges can be subjected to many different loadings due to traffic (rail, road, pedestrian, etc) and environmental (wind, temperature and earthquake) as well as a wide variety of accidental loads. BS EN 1991 Actions on structures covers all aspects of design loading for highway, railway and pedestrian bridges. BS EN 1990 Basis of structural design covers partial safety factors on loads and load combinations. Various combinations of loads together with the load factors to be used in the ultimate limit state as well as in the serviceability limit state are prescribed. For bridges in the UK, the Eurocode effectively supersedes BS5400. DoT Standards Design Manual for Roads and Bridges will be updated to be consistent with Eurocodes. The traffic loading in BS EN 19912 is significantly different to BS5400:Part2 for certain loads. The following notes are based on the recommendations of the Eurocodes. Highway bridges are usually designed to carry a combination of uniformly distributed loadings (UDL system) and axle loads (Tandem system). These loads together with other variable actions are specified in BS EN 19912 and 199113 to 6 and applied in prescribed combinations. The UDL and tandem systems are not direct representation of actual vehicles but idealisations to model the worst combinations of actual vehicles and include dynamic magnification, i.e. the effect of axles bouncing on rough roads. 1. PERMANENT ACTIONS Action that is likely to act throughout a given reference period and for which the variation in magnitude with time is negligible, or for which the variation is always in the same direction (monotonic) until the action attains a certain limit value. 1.1 Self-weight of structure This comprises the weight of structural elements of the bridge but excludes superimposed materials. The unit weight of various materials can be found in 199111. 1.2 Self-weight of non-structural elements This includes the weight of road surfacing, parapets, waterproofing, kerbs, lighting columns, rail track ballast, services, etc.

Transcript of M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

Page 1: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  1  October 2011 

Coventry University Department of Civil Engineering, Architecture and Building 

MSc BRIDGE ENGINEERING MODULE  

TRAFFIC LOADS ON BRIDGES  In Eurocodes, loadings on bridges are governed by BS EN 1990 ‐  Basis of structural design and BS EN 1991 – Actions on structures.  BS EN 1991‐1‐7 General actions – Accidental actions and BS EN 1991‐2 Traffic loads on bridges are particular relevant to the evaluation of traffic loads on bridges.  In this notes, only the most basic traffic loads are covered, please refer to the original EN document for further detail of various types of traffic loads and combinations. 

INTRODUCTION Bridges can be subjected  to many different  loadings due  to  traffic  (rail,  road, pedestrian, etc) and environmental (wind, temperature and earthquake) as well as a wide variety of accidental loads.  BS  EN  1991  Actions  on  structures  covers  all  aspects  of  design  loading  for  highway,  railway  and pedestrian bridges. BS EN 1990 Basis of structural design covers partial safety factors on  loads and load combinations. Various combinations of  loads together with the  load factors to be used  in the ultimate  limit state as well as  in the serviceability  limit state are prescribed. For bridges  in the UK, the Eurocode effectively supersedes BS5400. DoT Standards Design Manual  for Roads and Bridges will be updated to be consistent with Eurocodes.  The traffic loading in BS EN 1991‐2 is significantly different to BS5400:Part2 for certain loads. The following notes are based on the recommendations of the Eurocodes.  Highway bridges are usually designed to carry a combination of uniformly distributed loadings (UDL system)  and  axle  loads  (Tandem  system).  These  loads  together  with  other  variable  actions  are specified in BS EN 1991‐2 and 1991‐1‐3 to 6 and applied in prescribed combinations.  The UDL and  tandem  systems are not direct  representation of actual vehicles but  idealisations  to model the worst combinations of actual vehicles and include dynamic magnification, i.e. the effect of axles bouncing on rough roads. 

1. PERMANENT ACTIONS Action  that  is  likely  to  act  throughout  a  given  reference  period  and  for  which  the  variation  in magnitude  with  time  is  negligible,  or  for  which  the  variation  is  always  in  the  same  direction (monotonic) until the action attains a certain limit value. 

1.1 Self-weight of structure

This comprises the weight of structural elements of the bridge but excludes superimposed materials. The unit weight of various materials can be found in 1991‐1‐1. 

1.2 Self-weight of non-structural elements

This  includes  the weight  of  road  surfacing,  parapets, waterproofing,  kerbs,  lighting  columns,  rail track ballast, services, etc.  

Page 2: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  2  October 2011 

Figure 1 – Typical details   

1.3 Settlement

Settlements are mainly  caused by permanent  loads and backfill. Variable actions may have  to be taken  into  account  for  some  individual  projects.  Settlements  vary  monotonically  (in  the  same direction) with time and need to be taken into account from the time they give rise to effects in the structure (i.e. after the structure, or a part of it, becomes statically indeterminate). In addition, in the case of  a  concrete  structure or  a  structure with  concrete  elements,  there may be  an  interaction between  the  development  of  settlements  and  creep  of  concrete  members.  Where  differential settlement is likely to affect the structure in whole or in part, the effects of this shall be taken into account. 

1.4 Prestressing

Prestressing  should be classified as a permanent action caused by either controlled  forces and/or controlled deformations  imposed on a structure. These  types of prestress should be distinguished from  each  other  as  relevant  (e.g.  prestress  by  tendons,  prestress  by  imposed  deformation  at supports).  

2. VARIABLE ACTIONS Action for which the variation in magnitude with time is neither negligible nor monotonic.  

2.1 Traffic actions

EN 1991‐2 defines models of  traffic  loads  for  the design of  road bridges,  footbridges and  railway bridges.  For  the design of new bridges,  EN 1991‐2  is  intended  to be used,  for direct  application, together with  Eurocodes  EN  1990  to  1999.  The  basis  for  combinations  of  traffic  loads with  non‐traffic loads are given in EN 1990 Annex A2 Application for bridges.   

Forces due to vehicle or pedestrian traffic can be sub‐divided into:  Vertical forces ‐   due to vertical live loads as the weight of the traffic (i.e. LM1, LM2, LM3, LM4, 

Pedestrian, LM71, SW/0, SW/2, unloaded train, HSLM).   Horizontal forces ‐   essentially horizontal loads due to changes in direction or speed of the vehicle 

traffic (e.g. braking and acceleration, centrifugal and transverse forces, nosing force,  actions  due  to  traction  and  braking,  collision  forces,  etc)  with  their centrifugal loads. 

 

Page 3: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  3  October 2011 

Carriageway Width

The carriageway width, w, should be measured between kerbs of height more than 100mm (The UK NA 75mm) or between the inner limits of vehicle restraint system. It should not include the distance between  fixed vehicle  restraint  systems or kerbs of a  central  reservation nor  the widths of  these vehicle restraint systems.  

Figure 2 – Carriageway width    

Notional and Traffic Lanes The lanes that are marked on the running surface of the bridge and are normally used by the traffic are termed as traffic lanes. Notional lanes, on the other hand, are defined as the notional part of a carriageway used solely  for  the purpose of applying specific  live  loads. These are measured  in  the direction at right angles to the line of raised curbs, lane markers or edge marking.  The width w1 of notional lanes on a carriageway and the greatest possible whole integer number n1 of such lanes on this carriageway are defined in Table 4.1 of the code and shown on table 1 below.  Table 1 – Number and width of notional lanes 

  For  a  carriageway  width  of  11  m,  n1  =  integer(w/3)  =  3,  and  the  width  of  remaining  area  is  11‐ 3x3 = 2 m.   

Page 4: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  4  October 2011 

The number of notional will be:        1 where w < 5.4 m                                                                   2 where 5.4 m ≤ w <9 m                                                                   3 where 9 m ≤ w < 12m   The whole  carriageway  including  central  reservation  should  be  divided  into  notional  lanes  if  the carriageways are separated by temporary road restraint system.  

 Figure 3 ‐  Lane numbering 

 The  lane  giving  the most  unfavourable  effect  is  numbered  Lane  Number  1,  the  lane  giving  the second most unfavourable effect is numbered Lane Number 2, etc.  Where the carriageway consists of two separate parts on two independent decks, each part should be  considered as a  carriageway. Separate numbering  should  then be used  for  the design of each deck.  If  the  two decks  are  supported by  the  same piers  and/or  abutments,  there  should be one consecutive  numbering  system  for  the  2  decks  together  for  the  design  of  the  piers  and/or  the abutments. 

2.1.1 Road bridges

Load models  defined  in  this  section  of  the  code  should  be  used  for  design  of  road  bridges with loaded lengths less than 200 m. The UK National Annex allows for loaded lengths of up to 1500m for Load Model 1. 

2.1.1.1 Load Models

For road bridges design, 4 load models are used:  a)  Load Model  1  (LM1):  Concentrated  and  uniformly  distributed  loads, which  cover most  of  the 

effects  of  the  traffic  of  lorries  and  cars.  This model  should  be  used  for general and local verifications. 

 b) Load Model 2 (LM2):   A single axle  load applied on specific  tyre contact areas which cover  the 

dynamic effects of the normal traffic on short structural members.  c)  Load Model  3  (LM3):  A  set  of  assemblies  of  axle  loads  representing  special  vehicles  (e.g.  for 

industrial  transport) which  can  travel on  routes permitted  for  abnormal loads. It is intended for general and local verifications. 

 d)  Load Model  4  (LM4):  A  crowd  loading  of  5kN/m2  intended  only  for  general  verification  for 

footways. It should be used only for some transient design situations. 

Page 5: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  5  October 2011 

a) Load Model LM1 (main model)

LM1 is intended to cover flowing, congested or traffic jam situations with a high percentage of heavy lorries. In general, when used with the basic values, it covers the effects of a special vehicle of 600 kN  as  defined  in  annex  A.  Load Model  1  should  be  applied  on  each  notional  lane  and  on  the remaining areas. Load Model 1 consists of two partial systems:  i) Double‐axle concentrated loads (tandem system: TS) Each axle having the following weight:  αQQk, where αQ are adjustment factors  No more than one tandem system (only complete tandem system) should be taken into account per notional  lane.  Each  axle  of  the  tandem  system  should  be  taken  into  account with  two  identical wheels, the load per wheel being therefore equal to 0,5αQQk. The adjustment factors are given in the National Annex.  The contact surface of each wheel should be taken as 0,4 x 0,4 m2.  ii) Uniformly distributed loads (UDL system) The following weight per square metre of notional lane to be used:  αqqk, where αq are adjustment factors.  The uniformly distributed  loads  should be applied only  in  the unfavourable parts of  the  influence surface ,longitudinally and transversely. The characteristic values of Qik and qik which includes dynamic amplification are given in Table 2 below, together with the UK adjustment factors.  Table 2 – Load model LM1 : characteristic values 

  

Page 6: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  6  October 2011 

 Figure 4 – Application of load Model LM 1 

 For local verifications, a tandem system should be applied at the most unfavourable location. Where two tandem systems on adjacent notional lanes are taken into account, they may be brought closer, with a distance between wheel axles not to be less than 0.5 m.  

 Figure 5 – Application of tandem systems for local verifications 

 

b) Load Model LM2

Load Model 2 consists of a single axle load βQQak with Qak = 400 kN (including dynamic amplification), which  should  be  applied  at  any  location  on  the  carriageway. However, when  relevant,  only  one wheel of 200βQ (kN) may be taken into account.  It is recommended that βQ = αQ1. The UK National Annex recommends βQ = αQ1 = 1.0  The  contact  area  of  each  wheel  should  be  taken  as  0.35 m  x  0.60 m.  The  UK  National  Annex recommends a square contact surface of 0.40 x 0.40 m.  

Page 7: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  7  October 2011 

 Figure 6 – Load model LM2 

 

d) Load Model LM4

Crowd  loading,  if  relevant,  should  be  represented  by  a  Load  Model  consisting  of  a  uniformly distributed load (which includes dynamic amplification) equal to 5 kN/m2. LM4 should be applied on the  relevant  part  of  the  length  and width  of  the  road  bridge  deck,  including  central  reservation where relevant. 

2.1.1.2 Dispersal of concentrated loads

The dispersal of concentrated loads through the pavement and concrete slabs should be taken at a spread‐to‐depth ratio of 1 horizontally to 1 vertically down to the level of the centroid of the slab as shown on Figure 7 below.  The dispersal through the pavement and orthotropic decks should be taken at a spread‐to‐depth ratio of 1 horizontally to 1 vertically down to the level of the middle plane of the structural top plate. 

 Figure 7 – dispersal of concentrated loads 

2.1.1.3 Horizontal forces

a) Braking and acceleration forces   A characteristic force, Qlk, is a longitudinal force acting at the surface level of the carriageway. Qlk is limited to 900 kN for the total width of the bridge. It should be calculated as a fraction of the total maximum vertical loads corresponding to Load Model 1, applied on Lane Number 1.   Refer to the EN document for formula (not within the scope of this module)  b) Centrifugal force  

Page 8: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  8  October 2011 

The centrifugal force Qfk should be taken as a transfer force acting at the finished carriageway level and radially to the axis of the carriageway. Table 4 below gives the the charateristic value (including dynamic effects) of Qfk, a point load at any deck cross‐section.  Table 3 – Centrifugal forces 

 r = horizontal radius of curvature of the carriageway centreline (m) Qv = total maximum weight of vertical concentrated loads of the tandem systems of LM1  Σi αQi(2Qik). Where  relevant,  lateral  forces, Qtrk  from  skew  braking  or  skidding  should  be  taken  into  account. From the UK National Annex Qtrk = 0.5 Qlk for loaded lengths up to 120m and Qtrk = 280 kN for loaded 

lengths ≥ 120m. 

2.1.1.4 Groups of traffic loads on road bridges

Each of the groups of loads in section 2.1.1.1 to 2.1.1.3 above, which are mutually exclusive, should be considered as defining a characteristic action for combination with non‐traffic loads.  Table 4 (UK NA Table NA.3) – Assessment of groups of traffic loads 

 

Page 9: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  9  October 2011 

The  frequent action  should  consist only of either  the  frequent  value of,  LM1 or  LM2 or  loads on footway or cycle tracks in group gr1a, gr1b and gr3 respectively.  For verification  in transient design situations, the characteristic values associated with the tandem system  should  be  taken  equal  to  0,8αQiQik,  and  the  other  values  and  forces  without  any modification.  

2.1.1.5 Fatigue load model

Out of the scope of the module  

2.1.1.6 Accidental actions

Accidental action, usually of short duration but of significant magnitude, that is unlikely to occur on a given  structure during  the design working  life.  EN1991‐1‐7  section  4  gives principles  and  general rules for the accidental actions caused by road vehicles and trains.  a) Collision forces from vehicle on piers and other supporting members  Forces due  to  vehicular  impact on bridge  supports over or  adjacent  to  roads  are  given  in NA EN 1991‐1‐7 Table NA.1  Table 7 (Table NA.1 UK NA) – Vehicle impact forces on members supporting bridge over or adjacent to roads 

  For impact from cars and lorries the main component of the collision force F1 may be applied at any height h1 between 0,75 m to 1,5 m above the  level of the carriageway; the residual component F2 may be applied at any height h2 between 1 m and 1.5 m above the carriageway level.  

Page 10: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  10  October 2011 

The  main  and  residual  load  components  should  be  applied  simultaneously.  Fdx  does  not  act simultaneously with Fdy.  The design forces given in Table NA.1 should be multiplied by an adjustment factor Fa (greater than 1) in accordance with NA.2.1.2.4, which is based on the risk assessment procedure given in NA.2.11.2.3. 

 Figure 11 – Collision forces on supporting structures of over bridges and other structures 

 

b) Collision forces from vehicle on decks (superstructures)

The equivalent static design  forces  for road bridges due to vehicular  impact on the superstructure are given in Tables NA.9 and NA.10 of the UK National Annex. Table 11 below is the combined table.  Table 8 – Equivalent Static forces due to impact on superstructure 

  Fdx does not act simultaneously with Fdy. The value of the clearance between the road surface and the underside of the bridge deck, h1 should be taken as 5.7 m and the impact force above this height need not be considered.  

2.1.2 Footways, cycle tracks and footbridges

Pedestrian and cycle traffic vertical actions are defined by means of  load models. Three models of footbridge  loading  are given. They  are mutually exclusive. The  characteristic  values of  these  load models should be used for both persistent and transient design situations.  a) Uniformly distributed load, qfk  The recommended value for qfk is 5kN/m2 where there is a risk of continuous dense crowd. In other cases the UK National Annex recommends 

                      qfk = 2.0 + 120/(L + 10) kN/m2             where 2.5 kN/m2 ≤ qfk ≤ 5.0 kN/m2 

Page 11: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  11  October 2011 

L = loaded length in m  b) Concentrated load Q fwk  Qfwk should be taken as 10 kN acting on a surface area of 0.1 x 0.1 m

2.  c) Service vehicle Qserv  When service vehicles are to be carried on a footbridge, one service vehicle Qserv shall be taken into account.   Recommended  loads given  in the UK National Annex are those for the accidental  loading shown below. 

Horizontal forces

 For  footbridges only, a horizontal  force Q  flk should be taken  into account, acting along the bridge deck axis at the pavement level. The horizontal force is considered as acting simultaneously with the corresponding vertical load, and in no case with the concentrated load Qfwk.  The characteristic value of the horizontal force should be taken equal to the greater of the following two values:  i) 10% of the total load corresponding to the uniformly distributed load ii) 60% of the total weight of the service vehicle {i.e. 0.6(115+65) = 108 kN} 

Group of traffic loads on footbridges

 When relevant, the vertical loads and horizontal forces due to traffic should be taken into account by considering  groups  of  loads  shown  below.  Each  of  these  groups  of  loads,  which  are  mutually exclusive, should be considered as defining a characteristic action for combination with non‐traffic loads.  

i)   Group of loads gr1      

  

Page 12: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  12  October 2011 

Accidental presence of vehicle on footbridge

If no permanent obstacle prevents a vehicle from being driven onto the bridge deck, the accidental presence  of  a  vehicle  on  the  bridge  deck  shall  be  taken  into  account.  The  following  load model provided by the UK National Annex, consisting of two axle load group, should be used. The braking force associated with the load model should be 60% of the vertical load. 

 figure 13 – Accidental loading 

 

APPLICATION OF HIGHWAY LOADS

i) Single Span Bridges

A small number of effects need to be considered with single spans. These include:  

Maximum moment in mid‐span  

Maximum shear at supports  

Maximum and minimum reactions at bearings  

Transverse moments in the span  

Combination of shear and bending for prestressed beams, e.g. 1/4 span.  

 Group gr1 – Maximum longitudinal bending moment 

Page 13: M27BE Notes 03 Traffic Load- Oct 2011

M27BE ‐ Bridge Engineering 

Neil Tsang – Bridge Temperature  13  October 2011 

 Group gr1 – Maximum shear at support  

ii) Continuous Bridges

 The method  of  Influence  line  has  been  used  for many  years  at  the  analysis  stage  to  enable  the determination of the distribution of the primary traffic  loads on the decks of continuous structures to provide the worst possible effect. The influence lines are generally used in a qualitative manner to determine  the  critical  regions,  although  they  can  be  used  to  calculate  actual  values  of  stress resultants.  However,  in  recent  years,  due  to  the  availability  of  high  power  and  fast  computer,  the  so‐called “Moving Load Analysis” facility  in most computer software has replaced the manual  Influence Line method.  It is outside the scope of this module to discuss the Influence Line method.