• Non ci sono risultati.

Decision Support System for hydraulic risk management of a river bridge

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "Decision Support System for hydraulic risk management of a river bridge"

Copied!
96
0
0

Testo completo

(1)

POLITECNICO DI MILANO 

DEPARTMENT OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING 

 

DOCTORAL PROGRAMME IN ENVIRONMENTAL AND INFRASTRUCTURE ENGINEERING 

DECISION

 

SUPPORT

 

SYSTEM

 

FOR

 

HYDRAULIC

 

RISK

 

MANAGEMENT

 

OF

 

A

 

RIVER

 

BRIDGE

 

Doctoral Dissertation of: GIANLUCA CROTTI

Supervisor: 

Prof. FRANCESCO BALLIO  Tutor: 

Prof. STEFANO MALAVASI 

The chair of the Doctoral Program:  Prof. RICCARDO BARZAGHI 

(2)

Dedicated to my Family

Alessandra

Martina, Aurora & Leila

(3)
(4)

A

BSTRACT

A number of river bridges collapses worldwide every year during flood events, due to combination of  actions  including  traffic  loads,  water  and  wind  load,  river  bed  degradation,  accumulation  of  debris.  Incidence  of  failure  is  higher  for  relatively  older  bridges  which  may  have  been  designed  without  adequate  consideration  for  some  of  such  actions,  in  particular  the  scour  potential  at  piers  and  abutments; in this case, consolidation of bridge foundations may be required.  As an alternative to structural rehabilitation we propose here a Decision Support System (DSS): a non‐ structural real time risk mitigation dataflow that aids the bridge managers to decide whether a bridge  should be partially or totally closed to traffic.  Regardless of the structure to manage, the DSS is basically composed by five conceptual blocks: (i) a  real time monitoring system focusing on the evaluation of the environmental actions on the structure  rather than on the health state of the structure itself: such choice allows sufficient lead time for bridge  closure (such action may not prevent the damage of the structure but should avoid casualties); (ii) a  data  analysis  tool  to  evaluate  the  reliability  and  validation  of  the  data;  (iii)  a  structural  model  to  determine how far the structure is from collapse; (iv) a forecasting scenario to indicate how much time  is left to exit from the safe operational domain of the structure and procedures to manage the structure  from the normalcy to the emergency state. Then (v) a field application is presented and discussed.  The methodology is presented with reference to the field case of a bridge over the river Po (Italy); its  generalization to a larger variety of conditions is also discussed. 

(5)

IV 

C

ONTENTS Abstract ...III  Contents ... IV  Introduction ... ‐ 1 ‐  I.1.  Decision Support System (DSS) ... ‐ 1 ‐  I.2.  Field case: Borgoforte bridge ... ‐ 4 ‐  I.3.  Presentation of the Chapters ... ‐ 7 ‐  I.4.  References ... ‐ 9 ‐  Chapter 1:  Instrumentation ... ‐ 10 ‐  1.1  Standard devices: anemometer, hydrometer and video camera ... ‐ 13 ‐  1.2  Non standard device: echo sounder ... ‐ 15 ‐  1.3  Innovative device: BLESS sedimeter ... ‐ 17 ‐  1.4  References ... ‐ 20 ‐  Chapter 2:  Data analysis ... ‐ 22 ‐  2.1  Anemometer ... ‐ 22 ‐  2.2  Hydrometer ... ‐ 25 ‐  2.3  Echo sounder ... ‐ 28 ‐  2.4  BLESS ... ‐ 38 ‐  2.5  Video camera ... ‐ 51 ‐  2.6  References ... ‐ 55 ‐  Chapter 3:  Structural model ... ‐ 56 ‐  3.1  Geometry ... ‐ 56 ‐  3.2  Actions and environmental loads ... ‐ 58 ‐  3.3  Structural model and collapse mechanism ... ‐ 61 ‐  3.4  Safety coefficient ... ‐ 63 ‐  3.5  References ... ‐ 66 ‐  Chapter 4:  Bridge risk management ... ‐ 68 ‐  4.1  Bridge management procedures: general approach ... ‐ 68 ‐  4.2  Scenarios ... ‐ 71 ‐ 

(6)

4.3  Procedure examples ... ‐ 73 ‐  4.4  References ... ‐ 76 ‐  Chapter 5:  Field applications ... ‐ 77 ‐  5.1  Back analysis of year 2014 ... ‐ 77 ‐  5.2  Synthetic event (warning reached) ... ‐ 80 ‐  Chapter 6:  Discussion ... ‐ 83 ‐  6.1  The role of time in safety management of constructions: a conceptual framework ... ‐ 83 ‐  6.2  Generalization of the approach to other systems ... ‐ 85 ‐  6.3  Costs and benefits ... ‐ 86 ‐  6.4  References ... ‐ 87 ‐  Conclusions ... ‐ 88 ‐ 

(7)

‐ 1 ‐ 

I

NTRODUCTION

The present introduction is organized in three conceptual blocks: at the beginning we present and  discuss, from the general point of view, the conceptual problem analyzed in this doctoral work and  the solution proposed, that is the Decision Support System (DSS). Then we focus the attention on the  specific field case in which we have developed the DSS dataflow. At the end a short description of  the Chapters is illustrated. 

I.1.

Decision Support System (DSS) 

Statistics of bridge collapse in several countries around the world indicate hydraulic processes as  the  main  triggering  cause.  Wardhana  and  Hadipriono[1]  state  that  "Over  500  failures  of  bridge 

structures  in  the  United  States  between  1989  and  2000  the  most  frequent  causes  (…)  were  attributed to floods and collisions. Flood and scour (…) contributed for almost 53% of all failures.  Bridge overload and lateral impact forces from trucks, barges/ships, and trains constitute 20% of  the  total  bridge  failures.  Other  frequent  principal  causes  are  design,  detailing,  construction,  material,  and  maintenance."  This  study  confirms  results  of  the  previous  analysis  in  Rhodes  and  Trent[2], who indicated an average annual flood damage repair costs of approximately $50 million 

for  highways  on  the  Federal‐aid  system”.  In  addition  to  scour  authors  underline  the  role  of  morphological  evolution  of  the  rivers,  so  that  bridges  "experience  problems  with  aggradation,  degradation, bank erosion, and lateral channel shift during their useful life." The relevance of scour  on bridge failure in the USA has been recently analysed in detail by Briaud et al.[3]. A worldwide 

dataset[4] shows that natural hazards are the main causes of bridge collapse, with flooding or scour 

being  responsible  for  around  60%  of  the  events.  Scour  has  also  been  indicated  as  the  first  responsible for bridge collapse in New Zealand[5,6]. Similar results for the Italian road and railway 

systems  are  reported  in  Ballio  et  al.[7].  Azhari  et  Loh[8]  and  Bao  et  Liu[9]  show  cases  from  other 

countries  in  the  world,  confirming  that  bed  level  variations  and  local  scour  around  bridge  foundations are predominant factors in bridge failures. 

Historical evidence of vulnerability of river bridges has raised attention of the technical community  on hydraulic processes: a comparative analysis of some national building and maintenance codes  over the last 20 years reveals that, with respect to the past, recent codes provide more explicit and  punctual indications to designers and managers on how to evaluate and take into consideration the  interactions between the river system and the structure[10]. As stated in Arneson et al.[11] "The added 

cost of making a bridge less vulnerable to scour is small when compared to the total cost of a failure  which can easily be two to ten times the cost of the bridge itself. Moreover, the need to ensure 

(8)

public  safety  and  minimize  the  adverse  effects  resulting  from  bridge  closures  requires  our  best  efforts to improve the state‐of‐practice for designing and maintaining bridge foundations to resist  the effects of scour."  Evolution of codes is expected to grant higher level of safety for bridges (some evidence comes from  a time series analysis in Briaud et al.[3]). However, it also makes several existing structures to be no  more compliant with the new standards; considering the increase of the nominal traffic and wind 

loads  in  the  last  sixty  years  and  the  modification  of reference  hydraulic  hazard  scenarios  due  to  climate  change[12].  Therefore,  "because  it  is  not  economically  feasible  to  construct  all  bridges  to 

resist all conceivable floods, or to install scour countermeasures at all existing bridges to ensure  absolute invulnerability from scour damage, some risks of failure from future floods may have to be  accepted"[11]

How can we manage a bridge that is no more compliant with the new standards? While one might 

regretfully  accept  the  possibility  of  a  bridge  failure,  failure‐induced  casualties  must  be  instead  avoided.  To  handle  this  situation  there  are,  basically,  three  ways:  i)  to  rebuild  the  bridge  ii)  to  reinforce the bridge to increase its resistance and so respecting the new standards or iii) to use a  monitoring system and associated procedures to manage the structure anytime. Depending on the  specific  case  it  is  also  possible  to  combine  different  strategies.  The  last  one  considers  real  time  management of river bridges as a non‐structural risk mitigation measure, alternative (or in addition)  to  the  standard  structural  countermeasures.  The  implementation  of  such  a  Decision  Support 

System  (DSS)  is  the  key  scope  of  this  thesis.  More  specifically,  we  propose  a  DSS,  based  on  a 

monitoring  infrastructure,  which  helps  the  bridge  managers  decide  whether  a  bridge  should  be  partially or totally closed to traffic due to a forecast of particularly harsh environmental conditions  which may lead the structure to operate out of its safe operational zone. Bridge management may  not prevent the damage of the structure but should avoid casualties. Such a strategy is consistent  with the indications of the Eurocode EN 1990[13] which states (clause 2.2) that “the measures to 

prevent  potential  causes  of  failure  and/or  reduce  their  consequences  may,  in  appropriate  circumstances, be interchanged to a limited extent provided that the required reliability levels are  maintained.”  In  fact,  the  possibility  of  limiting  risk  by  some  active  management  of  the  system  connected  to  expected  scenarios  of  environmental  conditions  rather  than  by  intrinsic,  passive,  resistance  to  actions  is  an  accepted  practise  for  a  variety  of  systems.  Significant  examples  are  preventive evacuations for hurricanes, mobile levees systems for river floods, the “MOSE” system  against high tides in Venice, speed reduction for high‐speed trains rather than stopping wind‐mills  or harbour cranes under extreme wind conditions.  The specific case study under discussion is a road bridge across the Po river, Italy. The structure,  built in the sixties, is relatively well preserved; however, traffic and wind nominal loads are now  larger than the design values and there is historical evidence of strong variation of the river bed  elevation at the bridge cross‐section, which was not originally accounted for. Analysis of past events  and the simulation of possible future scenarios show that a proper management protocol of closure 

(9)

‐ 3 ‐ 

with respect to casualties without significant impact of the functionality onto the infrastructure.  Real time monitoring systems for the evaluation of vulnerability of river bridges have been already  proposed in the literature[14,15]. A peculiar feature of present proposal is that the monitoring system 

is  focussed  on  the  evaluation  of  the  environmental  actions  on  the  structure  rather  than  on  the  health  state  of  the  structure  itself.  Such  a  choice  is  in  this  case  necessary,  as  warning  based  on  variation of properties of the structure (a classic Structural Health Monitoring, SHM) would not give  sufficient lead time to perform the actions that are necessary for bridge closure. With respect to a  structural pier reinforcement, the non‐structural strategy here adopted is advantageous in that: (i)  it  is  less  expensive,  (ii)  through  a  continuous  monitoring  it  provides  a  deeper  knowledge  of  the  environmental actions on the structure, (iii) it is more flexible and adaptable to future changes of  the environmental scenarios. The necessity of a technological system and a management plan for  guaranteeing the required safety constitutes the obvious drawback of the proposed solution. From  this point of view, time becomes the most important parameter to control. Knowing the stress state  of the structure anytime (now and in a forecasted evolution), thanks to the monitoring system we  can  develop  procedures  to  manage  the  bridge  from  normalcy  to  emergencies  (floods)  possibly  arriving at its closure. Basically, The DSS dataflow has to answer at least three questions:   “is now the bridge in safety condition?”. We need a real time monitoring system together  with a structural model to evaluate the stress state of the structure anytime, also computing  a safety coefficient of the bridge;   “how much time do we have before the potential bridge collapse?”. We need a scenario  forecasting to understand the evolution, in time, of the safety coefficient;   “how can we manage a bridge anytime?”. We need an emergency procedures according to  the scenario forecasting to manage the structure for every safety coefficient time evolution  leading to the complete closure of the bridge.   

(10)

I.2. Field case: Borgoforte bridge 

Borgoforte is a small village in the north of Italy (Mantova province, Lombardy), close to the biggest  Italian river, the Po (Figures I.1 and I.2). The structure under consideration is a state road bridge  crossing the river Po, joining Mantova to Modena (the right one in the Figure I.1). The total length  of the bridge is 630 m, while for normal flow conditions (as shown in the Figure I.1) the river is about  300 m wide, so that only four of the 44 piers have permanently submerged foundations (Figure I.2),  the remaining ones being positioned on the flood plains.    Fig. I.1 Borgoforte bridge location       Fig. I.2 Borgoforte road bridge on the left (photo from the downstream right bank) and, on the  right, the map of the bridge with the underwater pier numbered 

In  November  2000  an  important  flood  occurred.  The  discharge  was  around  12000 m3/s,  roughly 

corresponding  to  a  100‐year  return  period.  Three  months  later,  in  February  2001,  a  bathymetry  evidenced a 15‐meter scour hole close to pier 32. Moreover, a general degradation of the river bed  level also involved piers 31 and 33.  Consequently, a strength problem had to be addressed. The pier can be modelled as a cantilever 

30

31

32

33

flow direction Road bridge Rail bridge

(11)

‐ 5 ‐  the bridge administration completed the stabilization works (pier reinforcement) for three piers in  water (31, 32 and 33), Figure I.3.      Fig. I.3 Piers of the bridge. Left pier 30 (not stabilized). Right an example of stabilized pier (piers  31, 32 and 33)  A “rip‐rap” for pier 32 only was positioned. This countermeasure is made by loose stones deposited  under water around the pier to create a heavy and armoured foundation against scour. In Figure  I.2 right, a bridge top view, it is possible to see that the three piers are now larger when compared  to that labelled as number 30. A hydraulic study followed the event[16], declaring that the reinforced  piers can now easily survive a flood similar to that of November 2000. The study also highlights how  the possibility of scour problems under heavy floods can also involve pier 30, even if it is close to  the river bank.  The standard approach for the diagnosis of the safety conditions of an existing construction (in this  case the pier number 30, Figure I.2) is basically equivalent to the design of a new construction. The  key point is that the bridge was built in the 1961 using old codes but the diagnosis of the safety  condition  must  be  referred,  obviously,  to  the  actual  codes  (Eurocode  EN  1990[13]).  The  main 

differences  are  i)  the  old  approach  ASD  (Allowable  Stress  Design)  is  replaced  by  ULS  method  (Ultimate Limit States) and ii) the old code did not consider a bed variation while the new one takes  it into account. In a nutshell, the first point changes not only the load combinations but also the  coefficients of the actions that compose these combinations. The result is that some of the new  combinations are more severe compare to the older ones. The second point means that the new  bridges are designed to withstand a bed variation, within certain limits. The result can be summed  up in Figure I.4 where the residual moment coefficient δ (that represents the distance of each point  from  the  resistance  domain  in  terms  of  bending  moment,  see  Chapter  3)  is  plotted  against  degradation of the riverbed with respect to its reference value (that is for convenience set to zero  to highlight the variation). A coefficient equal to 0.5 means that the structure is stressed to 50% of  its maximum. It is clear that the response of the structure to different codes is totally different. Even  though we avoid the degradation of the river bed (degradation equal to zero) the residual coefficient  changes  from  0.5  (using  old  code)  to  0.3  with  Eurocode  (due  to  different  load  combinations).  Moreover, if we consider also a bed variation, the pier reaches the limit zone with only three meter 

(12)

of  scour  (compared  to  8  meter  using  the  old  code).  Considering  that  in  this  hydraulic  section  a  variation of two meters can be considered as a normal bed fluctuation (Chapter 2, Section 2.3), the  bridge condition requires attention.    Fig. I.4 Residual moment coefficient as a function of the river bed lowering with respect to the  reference elevation  Nevertheless, a specification is required: with three meter of scour the bridge arrives at its limit  (δ = 0) only if the specific load combination (the worst one, presented by the grey line) is effectively  acted on the bridge; on the contrary we are in the safe zone (δ > 0) if the real traffic is “lighter”.  Unfortunately, without a monitoring system this information is unknown.  The allocated budget (around 2 M€) for the stabilization works of piers 31, 32 and 33 (Figure I.3)  was not enough to allow the reinforcement of this last pier so the bridge administration (Province  of Mantova) decided to implement a Decision Support System that helps not only to manage this  residual risk during floods, but also to understand if any stabilization plan is needed for this pier,  due to possible new floods.      ‐1.2 ‐1.0 ‐0.8 ‐0.6 ‐0.4 ‐0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R e si dua l m o m e nt  c oe ff ic ie nt  δ Degradation of the river bed (m) ULS (Eurocode) ASD (1962)

(13)

‐ 7 ‐ 

I.3. Presentation of the Chapters 

The structure of the DSS applied to the Borgoforte case is presented in Figure I.5 and, basically, it  represents the index of this work. In the following we introduce all the five blocks to understand  their structures and discuss their main topics.    Fig. I.5 Borgoforte DSS (Decision Support System) dataflow  Instrumentation Data analysis Structural  model Bridge risk  managment Field  applications

(14)

The  first  block  is  described  in  Chapter  1,  where  the  monitoring  system  and  all  the  installed  instruments are presented. As discussed before, the goal of the monitoring is to measure quantities  to evaluate loads against the pier 30 and the portion of deck of its competence. At the beginning  there is an introduction that describes the main parameters involved in the load evaluations and  the correlated devices. Then, the layout of the monitoring system is illustrated with a description  and an output example for every device. 

The  second  block  is  described  in  Chapter  2,  where  the  data  treatment  is  presented  for  all  the  devices. Among them, there are two devices, the echo sounder and BLESS (see Chapter 1), that need  a data validation for two different issues. The echo sounder cannot be considered a standard device  if  it  is  used  to  measure  the  bed  level  variation  close  to  a  submerged  structure,  like  a  pier.  The  literature shows (see Chapter 2) some drawbacks that can negatively affect the signal of the device.  The BLESS is a prototype so it needs a data validation by default. Such a data validation and a long  period analysis are presented to discuss the relevance of (i) understanding if a device is working well  and (ii) showing some details that can be carried out from 4‐5 years of data.  The third block is described in Chapter 3, where the structural model is presented and discussed. In  this Chapter the key point is not the structural model itself, because it can change in time, but its  importance to summarize the information from the monitoring system. If the final goal of this work  is to create something (DSS) that must help the bridge administration, we have to create an output  that is really useful to the end user.  The fourth block is described in Chapter 4, where the principles of the bridge management approach  are given. Three issues are presented: (i) a general approach to the bridge management, with the  phases of the emergency procedures and the definition of the thresholds; (ii) the adopted scenarios  to forecast the evolution of the stress state of the bridge in time and (iii) a qualitative example of  the procedures to understand the working mechanisms.  The fifth block is described in Chapter 5, where field applications are presented considering a back  analysis on an earlier year and a synthetic scenario where the alert phase is reached. 

The  sixth  Chapter  (not  present  in  Figure  I.5)  provides  an  overall  discussion  about  bridge  risk  management. The purpose is to highlight the potentiality of this approach (created specifically for  the Borgoforte Bridge) thus supporting its generalization. Final Conclusions are then provided.   

(15)

‐ 9 ‐ 

I.4. References 

[1]  K. Wardhana, F.C. Hadipriono, (2003) Analysis of Recent Bridge Failures in the United States. Journal of Performance of Constructed Facilities, 17, 144-150. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0887-3828(2003)17:3(144) 

[2]  J.  Rhodes,  R.  Trent,  (1993)  Economics  of  Floods,  Scour,  and  Bridge  Failures  Hydraulic  Engineering, Proceeding of the ASCE National Conference 1993, 1, 928‐933. 

[3]  J. L. Briaud, P. Gardoni, C. Yao, (2013). Statistical, risk, and reliability analyses of bridge scour.  Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 140(2), 04013011.  

[4]  D.  Imhof,  (2004)  Risk  assessment  of  existing  bridge  structures.  PhD  Thesis,  University  of  Cambridge, UK. 

[5]  G.  H.  Macky,  (1990)  Survey  of  roading  expenditure  due  to  scour.  Report  CR  90.09,  DSIR  Hydrology Centre, Christchurch, New Zealand.  [6]  B. W. Melville, S.E. Coleman, (2000) Bridge scour. Water Resources Publications, LLC, Highlands  Ranch, Colorado, USA.  [7]  F. Ballio, A. Bianchi, S. Franzetti, F. De Falco, M. Mancini, (1998) Vulnerabilità idraulica di ponti  fluviali. XXVI Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, Catania, Italy, 1998, 3,  69‐80. 

[8]  F.  Azhari,  K.J.  Loh,  (2017)  Laboratory  validation  of  buried  piezoelectric  scour  sensing  rods.  Structural Control and Health Monitoring. 2017, 24(9), e1969 1‐14.  [9]  T. Bao, Z. Liu, (2017) Vibration‐based bridge scour detection: A review. Structural Control and  Health Monitoring. 2017, 24(7), e1937 1‐19.  [10] L.W. Zevenbergen, L.A. Arneson, J.H. Hunt, A.C. Miller, (2012) Hydraulic design of safe bridges.  FHWA‐HIF‐12‐018 ‐ HDS‐7, FHA Washington D.C.  [11] L.A. Arneson, L.W. Zevenbergen, P.F. Lagasse, P.E. Clopper, (2012) Evaluating scour at bridges.  Fifth Edition", FHWA‐HIF‐12‐003 ‐ HEC‐18, FHA Washington D.C.  [12] K. Alexandre, L. A. Garrow, M. J. Higgins, M. D. Meyer, (2013) Impacts of climate change on  scour‐vulnerable bridges: Assessment based on HYRISK. Journal of Infrastructure Systems, 19(2).  [13] EN 1990, Basis of structural design 2002, Eurocode, CEN.  [14] T.K Lin, Y.S. Chang, (2017) Development of a real‐time scour monitoring system for bridge safety  evaluation. Mechanical Systems and Signal Processing, 82, 503‐518. 

[15] S.H.  Ju,  (2013)  Determination  of  scoured  bridge  natural  frequencies  with  soil–structure  interaction. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 55, 247‐254. 

[16] Provincia di Mantova (2008), Studio della vulnerabilità idraulica ponte di Borgoforte sul fiume  Po. 

(16)

Chapter 1:

Instrumentation 

Considering that all the devices are installed to quantify the loads against the pier 30 and the portion of  the  deck  of  its  competence,  it  is  necessary,  using  a  qualitative  relationship,  to  present  all  the forces  applied to the structure and the main parameters involved. 

Load from vehicles (no device): Fload = f(Geometry, Ttraffic). It is applied at the deck level of the bridge 

and  depends  on  the  daily  bridge  traffic.  For  this  evaluation  it  is  possible  to  use  traffic  monitoring  information or using the standard bridge codes. In the absence of a direct measurement of traffic, load  combinations given by national standards were adopted. There are different scenarios depending upon  the number of load combinations. If the bridge is open (Ttraffic = 1, while it is Ttraffic = 0 with the bridge 

closed), we consider the vehicle weight and the correlated bending moments. The force and bending  moments due to truck braking are also taken into account together with the pier and deck weight. 

Wind drag force (anemometer): Fwind = f(Geometry,Vwind, Ttraffic). It applies on the entire structure of the 

bridge over the water surface and on the vehicles (trucks) crossing the bridge. Its direction and value  depend on the wind blow that can change in time. The wind force depends on two main parameters  beyond the geometry of the structure (Chapter 3): the wind speed (Vwind), normal to the bridge deck’s 

main axis, and the presence of traffic increasing the bridge cross section. The first is an output from the  monitoring system (using a standard anemometer): it is easy to calculate the normal load once the wind  direction and bridge orientation are known. For Ttraffic, a binary value is set to 1 if the bridge is totally or 

partially open and the cross section exposed to the wind is increased according to given tables (load  combinations). 

Water  drag  force  (hydrometer  +  video  camera):  Fwater  =  f(Geometry,  hwater,  Vwater,  Ddebris).  The  force 

exerted by water is only related to the piers because the deck is above the maximum water level. This  force depends on two independent parameters: the flowing stream level (hwater) and the presence of 

debris  upstream  of  the  pier  (Ddebris  is  a  binary  value  0/1)  while  the  velocity  of  the  flow  is  directly 

correlated to the first one. The water level is given by a standard hydrometer. Using a rating curve and  a 2D simulation for the river close to the bridge, one obtains the relationship between depth and water  velocity.  Debris  accumulation  is  not  so  uncommon  and  its  effect  depends  on  both  the  river  basin  characteristics (the possibility that trees and/or small bushes “fall” into the river) and the pier geometry  (that  can  facilitate  the  accumulation).  The  presence  of  debris  changes  the  water  load  contribution  because for the water point of view the area of the pier depends on the quantity of debris. A standard  video camera helps us detect their presence, in which case Ddebris is set to 1. Moreover, to evaluate the 

(17)

‐ 11 ‐ 

portion of the pier exposed to the flowing water it is necessary to know the riverbed level close to the  pier, since hwater = Levelwater ‐ Levelriverbed. 

Riverbed  level  (echo  sounder  and  BLESS):  its position influences  the  part  of  the  pier exposed to  the 

water load and thus changes the length of the pier (so the dynamic bridge response to the external  loads).  This  information  is  very  difficult  to  obtain  because,  nowadays,  no  device  can  be  considered  standard  for  this  measurement[17,18].  The  literature  is  rich  of  papers  about  new  prototypes  tested  in 

laboratory  and  reports  where  instruments  were  tested  in  the  field[11].  All  of  these  devices  have 

advantages and disadvantages[19] but, in reality, no one can guarantee a reliable riverbed measurement 

during  floods.  In  the  Borgoforte  monitoring  system,  we  install  an  echo  sounder  because  it  can  be  considered the best choice for this measure even though it could have working problems during floods  (see Chapter 2). In addition, we install a device, called BLESS (Bed LEvel Seeking System), patented by  Politecnico  di  Milano  (Chapter  2).  It  helps  to  detect  the  bed  level  through  different  technology  and  working principle with respect to the echo sounder.  All the instruments presented in the following Sections are parts of the monitoring system installed in  2009 on the Borgoforte Bridge. Figure 1.1 illustrates the monitoring system layout.    Fig. 1.1 Monitoring system layout  The monitoring system of pier 30 involves many sensors (Fig. 1.1). The wind anemometer provides both  intensity and direction of the wind (Section 1.1). The hydrometer, between pier 30 and 31, furnishes  the water level of the river Po (Section 1.1). Two video cameras are placed upstream of the bridge to  monitor  the  accumulation  of  debris  (Section  1.1).  The  echo  sounder  (Section  1.2)  and  the  BLESS  sedimeter (Section 1.3) measure the riverbed level downstream of pier 30. 

30

 

Flow

29

 

31

 

32

33

34

Control room 

Remote 

station 

Hydrometer        Echo‐sounder      Video cameras 

(18)

The whole system is managed from a control room (Fig. 1.2) This is located under the bridge, between  two main beams well above the maximum water level (Fig. 1.2). A real time device serves to collect  data from all the mentioned devices, also managing storage, alarm generation and connections with  the outside world. A wireless connection is used to send data to any remote station. Figure 1.2, on the  right, shows the data flux of the monitoring system. The anemometer, the hydrometer and the echo  sounder provide data every second while the timing of the BLESS and video camera can be set by the  end user. The control room collects all the device signals and creates a summary file. Also in this case  the end user can change the sampling rate of this file and the transmission frequency.        Fig. 1.2 Control room at pier 34 on the left. Data flux on the right 

The  instrumentation  (Fig.  1.1)  can  be  classified  into  three  main  groups.  The  first  includes  standard  devices like the anemometer the hydrometer and the video cameras (Section 1.1). In this context a  device is called “standard” if it has these two characteristics. First, the device is used to measure exactly  what  it  was  built  for:  for  instance,  the  anemometer  is  designed  to  measure  wind  velocity  and  its  direction. Second, the device installation follows its user guide. 

The  second  instrument  group,  called  “non‐standard”,  consists  of  a  single  device,  the  echo  sounder  (Section 1.2). This is a common device to determine river bed level but it is not really suitable to detect  the river bottom position near structures such as piles and abutments. The presence of air bubbles,  suspended sediments, turbulence, etc., especially during flood, can create false signals[20]

The  last  group  includes  an  innovative  device  called  BLESS,  Bed  LEvel  Seeking  System.  The  BLESS  sedimeter[21], patented by the Politecnico di Milano[22], detects the river bed level downstream of the  pier  (more  details  are  given  in  Section  1.3).  As  already  discussed,  the  use  of  the  echo  sounder  to  measure scour (or the river bed level) is not really a standard because it does not guarantee satisfactory  measurement accuracy during floods. BLESS helps to improve reliability by providing more robust data,  especially during extreme events.  Device and  sampling rate  Anemometer  1s  Echo sounder  1s  BLESS  Video  camera  Data  managing  and  packaging  User  setting  In‐situ  software  Remote  station  File  transfer    1 hour  Monitoring system: Data flux  Hydrometer  1s 

(19)

‐ 13 ‐ 

1.1 Standard devices: anemometer, hydrometer and video camera 

To measure the wind characteristics, we use a common anemometer. A cup anemometer is mounted  over  the  bridge  deck  (Figure  1.3  on  the  left),  measuring  the  wind  intensity  (range:  0.4‐60  m/s;  resolution: 0.1 m/s) and direction (range: 0‐360°; resolution:  0.4°) at a frequency of 1 Hz. The wind  average and the gust speed (the peak value over the time record of interest) are given on a 10 min base,  as recommended by specific standards to study wind actions on structures[23]. Figure 1.3, on the right,  shows an example of a day plot (November 15th, 2013). Every 10 minutes we have the average of the  wind speed (red) and the corresponding maximum value, called wind gust (green). In black is plotted  the mean value of the wind direction (10 minutes based), intended as the direction from which the  wind arrives.    Fig. 1.3 The anemometer on the left and an example of a day plot on the right  The device adopted for the water level measurement is a radar water elevation gauge (maximum range:  35 m; resolution: 1 mm; frequency: 1 Hz.). It is mounted at the side of the bridge deck, measuring water  elevation approximately at the center of the river cross‐section (Figure 1.4). The water level average is  given on a 1‐hour base but the timing can be modified by the end user of the monitoring. 

(20)

  Fig. 1.4 The hydrometer on the left and an example of a water level during November 2014  To evaluate the water drag force, we also need the water velocity. Even though this parameter is not  correlated  to  a  specific  device  we  report  some  details  here  for  the  sake  of  completeness.  In  the  Borgoforte cross section we have a level‐velocity relationship thanks to two previous works about the  Borgoforte bridge. The first one[24] provides a rating curve as a relationship between the water level  and the discharge, Q = a*h2+b*h+c, where Q is the discharge (m3/s), h is the water level (m asl) and a,  b and c are parameters whose values are summarized in Table 1.1. The equation is divided into three  parts to achieve a best fit of the acquired data.  Table 1.1 Coefficient of interpolated rating curve  Equation  Coefficients  Part 1 (below 17 m asl)  Part 2 (from 17 to 22 m asl)  Part 3  (above 22 m als)  a  46  60 96  b  ‐902  ‐1350 ‐2800  c  4658  8000 22500  In the second reference[16], there are results of a 2D simulation (using River2D software) to create the  velocity  maps  close  to  the  bridge  pier  number  30.  Table  1.2  shows  four  velocity  values  and  the  corresponding discharges.  Table 1.2 Discharge and corresponding velocity values  Discharge  (m3/s)  Velocity close to pier 30 (m/s)  Discharge (m3/s)  Velocity close to pier 30 (m/s)  250  0.2  5400 2.8  510  0.3  10000 3.6  Using a linear interpolation between two consecutive points it is possible to obtain the velocity of the  water V (m/s) for every discharge value Q (m3/s). Finally, from the water level we have the correlated  discharge value, thanks to the rating curve, and from discharge we calculate the velocity, thanks to the  2D simulation.  12 16 20 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 m a sl days November 2014 BORGOFORTE Hydrometer

(21)

‐ 15 ‐ 

Debris piling is one of the main parameters to be considered for bridge safety, as this heap can influence  the hydrodynamic load and local scour[25]. This is the reason why two video cameras (3 Mpixel; lens:  FJYV4.3×2.8SA‐SA2) taking images upstream of pier 30 were installed (Figure 1.5 is an example of a  photo shot by the camera). Debris accumulation is dangerous[26] because it can increase the pier cross  section  with  two  negative  effects.  First,  an  increment  in  the  resisting  area  also  increases  the  hydrodynamic load over the bridge. Second, local scour around a wide pier is higher than around a  narrow one[6,27]   Fig. 1.5 Example of drift upstream of pier 30  The goal of the video camera images is to detect automatically the presence of debris upstream of the  pier and, consequently, an increase of the pier cross section to the water drag force (Chapter 3). The  impact of the debris to scour around the pier is taken into account using a specific device (next Section)  that measures, directly, the riverbed level. 

1.2 Non standard device: echo sounder 

The river bed level close to piers is the most relevant parameter for bridge safety and, at the same time,  the most difficult to be obtained with high reliability. The echo sounder used in Borgoforte (beam: 14°  conical; range: 0.8‐100 m; resolution: 0.01 m; frequency: 1Hz) produces an output filtered by an internal  software that is inaccessible to the user, who thus cannot try to improve the output through proper  regulations. More complex and expensive echo sounders rely on software having many parameters that  are hardly associated to a real physical output. The adopted echo sounder is mounted on the rear face  of pier 30 and measures the river bed elevation. Maximum scour depths are expected in front of the  pier, but in such position the sensor would be exposed to floating debris which could damage it or mask  its signal (Fig. 1.5). The echo sounder’s positioning and orientation have also proven to be critical issues  [24]. The signal beam opens in a conical shape along its path in the water. Multiple reflections can be 

(22)

generated from the bridge pier, and therefore misrepresenting the real bottom position is a real risk.  For this reason, a major problem was to design the structure to fix the sensor to the bridge pier. This  support must ensure the chance to remove the device for maintenance. This is an important task, as  the sensor is immersed in flowing water most of the time. At the same time the structure has to provide  the required mounting robustness. Photo (a) in Figure 1.6 shows the stainless steel tube that links the  control box, at the deck level, to the echo sounder. Photo (b) is a zoom at the end of the tube where  the echo sounder is installed, under the water surface. The device is located downstream of the pier,  aligned to the pillars, to ensure higher protection against floating debris. As discussed, the device must  be properly tilted to avoid any pier spurious reflection (Figure 1.6, c). The level of the device must be a  compromise  between  operational  and  maintenance  needs,  as  the  echo  sounder  should  stay  underwater most of the year but its level has to allow inspection during dry low water periods. A special  joint was designed at the lower end of the tube. Hinges allow the echo sounder’s removal and rotation,  using a tie‐rod from the bank (Figure 1.6, d).               Fig. 1.6 Plot of echo sounder and hydrometer data. (a) Echo sounder stainless steel tube. (b) Zoom  at the end of the tube. (c) Detail of orientation. (d) Tube hinge 

The  plot  in  Figure  1.6  shows  an  example  of  the  water  (blue  points)  and  bed  levels  (brown  points)  recorded during a flood. This plot is a good representation of the scour phenomena. Velocity increases  when the water level rises. Vortexes around the pier exert a force high enough to dig sediments away  from the structure[6], so the river bel level around the pier decreases. 

(a) 

(23)

‐ 17 ‐ 

1.3 Innovative device: BLESS sedimeter 

In Borgoforte, we had the opportunity to install an innovative sedimeter. It was designed to measure  the river bed level in close proximity to a submerged structure, such as a pier. The patented device  called BLESS, Bed LEvel Seeking System, is based on Fiber Bragg Gratings (FBG)[28]. In a nutshell, the FBG  can be described as a wavelength reflector. A light beam is emitted by a source into the fiber optic, and  the  grating  reflects  a  particular  wavelength  that  depends  on  the  geometrical  features  of  the  Bragg  gratings. A change in a grating properties (compression or extension) involves a change of the Bragg  wavelength. In case of more than one sensor in the same fiber, like BLESS, every FBG has different initial  wavelength and each wavelength range does not overlap with another ones). So the FBG can be used  both for strain and temperature measurements. Creating BLESS requires three main steps:   BLESS measures temperature values, so the fiber is placed inside a stainless steel tube to avoid  any strain effect (Figure 1.7 A);   BLESS measures also different heat dissipations, so we add electrical circuits outside the steel  tube (Figure 1.7 B);   BLESS is both buried in the bed and immerged in the flowing water, so it needs an electrical  insulation (Figure 1.7 C).                         Fig. 1.7 BLESS construction: (A) fiber inside the stainless steel tube; (B) adding electrical circuits and  (C) electrical insulation  The Figure 1.7 shows the main steps to build the BLESS sedimeter. Pictures are referred to a BLESS  prorotype used in the lab for preliminary test in 2008. Even though the Borgoforte BLESS is longer and  wider compared to this one, the basic concepts are the same.  The Borgoforte BLESS is long 25 meters and has 34 FBGs. Such sensors measure the temperature at  different heights, from 12 m asl to – 17 m asl (10 m asl can be considered a river bed average level).  Figure 1.8 shows a sketch of the layout on the left, and a photo of the Borgoforte installation on the  A  B  C 

(24)

right. BLESS (in black) is fixed to a stainless steel tube fixed downstream of the pier avoiding debris  impact.  Only  the  fiber  portion  hosting  the  sensors  is  in  contact  with  the  environment,  the  rest  is  sheltered. 

   

 

Fig. 1.8 BLESS system layout (left). Borgoforte case: BLESS is located on a tube close to the pier  (right) 

The generic FBG measures the temperature of its environment (Tsoil or Twater) when the power unit (that  is connected to the electrical circuits) is switched off, from t0 to tstart (Fig. 1.9 left). At tstart, electrical  power is turned on until tend, where the FBG registers a temperature increment (Tend soil or Tend water). The  temperature variation is defined as ΔT = Tend – Tstart (soil or water). Considering that the heat dispersion  in flowing water (by convection) is much higher when compared to that of sensors buried in saturated  ground (conduction), the FBGs in flowing water should sense a lower temperature increase than those  buried in the river bed; In other words, ΔTwater is less than ΔTsoil. 

This  clearly  appears  by  deleting  the  different  environmental  offset  temperatures  at  tstart,  Figure  1.9  right. Looking Figure 1.8 left, the first “n” sensors from the top register a lower ΔT increment when  compared to the bottom sensors buried in the river bed. If we analyze the ΔT value of two consecutive  sensors, two scenarios might occur. The two sensors are in the same environment (water or ground) so  they have about the same ΔT. Otherwise, the two close sensors are in different environments so they  have a different ΔT. The river bed level is located between the two consecutive FBGs having a different  behavior.  By  knowing  the  position  of  each  sensor,  we  can  define  a  range  in  which  the  river  bed  is  located. The uncertainty is equal to the sensor spacing (a chosen parameter). A detailed description of  BLESS and a second installation on the same principle can be found in two different papers[21,29]

(25)

‐ 19 ‐ 

 

Fig. 1.9 Sketch of BLESS acquisition within definitions of main parameters   

 

Fig. 1.10 Cross‐check between BLESS and the echo sounder (the bed level given by the latter is the  horizontal black line). Black diamonds and circles define levels in which the river bed level is located  Figure 1.10 shows the first check performed after installation (June 2011). For a better visualization,  only first 14 sensors are plotted over the 34 available. Two profiles representing two different data  analyses  are  given  in  the  graph:  the  temperature  profile  T  (when  BLESS  is  used  as  a  thermometer,  heating off) and the temperature variation profile ΔT (ΔT = Tend – Tstart, Figure 1.9). 

Looking the temperature profile T, the first 3 sensors (from the top) are in flowing water because they  measure about the same high temperature. Sensors 7 to the bottom are buried in the river bed because  FBG 1 1  2  3  4 5 6 7 3  4  6 5 FBG 2 FBG 3 FBG 4 FBG 5  FBG 6 FBG 7 FBG 8 FBG 9  FBG 10  FBG 11  FBG 12  FBG 13  FBG 14 

(26)

they have a stable lower temperature. The bed level is in the middle between sensors 3 and 7 (black  circles). Unfortunately, this interval is around 2 meters. The temperature decreases without any abrupt  variation. It is impossible to accurately establish where FBG 4, 5 and 6 are located, water or soil. This  approach (using the temperature) has an intrinsic high uncertainty.  Referring to the temperature variation profile (ΔT), we can observe that the first 3 sensors are in the  stream. The flowing water efficiently takes away generated heat so they register a low ΔT increment.  The others, having a different behavior, are immersed in the ground, from the 4th to the end. In this  case there is a “jump” between sensors 3 and 4 (black diamonds). Between them, in a 50 cm interval,  we can place the bed level. In addition, the echo sounder measurement is plotted to validate the BLESS  output.  In both cases, T and ΔT profiles, BLESS defines the bed level range, as validated by the echo sounder  which shows better resolution. The temperature profile has two crucial matters. First, the range can be  too coarse: 2 meters, in this case, is the estimated uncertainty. Second, the temperature is affected by  climate  conditions,  day/night  and  seasonal  changes.  In  some  periods  it  was  estimated  that  the  temperature of both water and ground are the same, if no heating is applied. For those reasons we use  BLESS measuring temperature variation ΔT: it is an even stronger indicator because it is insensitive to  seasonal conditions. Moreover, sensor resolution is equal to the FBG spacing along the fiber (in this  case the adopted spatial resolution is 0.5 m). The choice of the temperature sensor spacing depends  on many factors, strictly correlated with the specific bridge, river and bed characteristics. 

1.4 References 

[6]  B. W. Melville, S.E. Coleman, (2000)  Bridge scour. Water Resources  Publications, LLC,  Highlands  Ranch, Colorado, USA.  [11] L.A. Arneson, L.W. Zevenbergen, P.F. Lagasse, P.E. Clopper, (2012) Evaluating scour at bridges. Fifth  Edition", FHWA‐HIF‐12‐003 ‐ HEC‐18, FHA Washington D.C.  [16] Provincia di Mantova (2008), Studio della vulnerabilità idraulica ponte di Borgoforte sul fiume Po.  [17] National Cooperative Highway Research Program NCHRP (2009) Synthesis 396: Monitoring Scour  Critical Bridges. Project Number: 20‐05/Topic 36‐02 doi: 10.17226/22979. 

[18] Federal  Highway  Administration  FHWA  (2009)  Bridge  scour  and  Stream  instability 

countermeasures: experience, selection, and design guidance. third edition. Publication No. FHWA‐

(27)

‐ 21 ‐ 

[19] M. Farooq, N. Banthia and F. Azhari, (2017) Bridge scour monitoring: challenges and opportunities.  39th  International  Association  for  Bridge  and  Structural  Engineering  (IABSE),  Vancouver,  21‐23  September 2017. 

[20] W. Chen, Y. Xiong, L. Fayun, (2017) A review of bridge scour: mechanism, estimation, monitoring 

and countermeasures. Natural Hazards 87:1881–1906 DOI 10.1007/s11069‐017‐2842‐2. 

[21] S.  Manzoni,  G.  Crotti,  F.  Ballio,  A.  Cigada,  F.  Inzoli  and  E.  Colombo,  (2011)  Bless:  A  fiber  optic 

sedimeter. Flow Measurement and Instrumentation, doi: 10.1016/j.flowmeasinst.2011.06.010. 

[22] A.  Cigada,  F.  Ballio  and  F.  Inzoli,  (2008)  Hydraulic  Monitoring  Unit,  application  for  international 

patent n. PCT/EP2008/059075. 

[23] ESDU 82026  (2002), Strong winds  in the  atmospheric boundary layer. Part  1:  hourly‐mean wind 

speeds. ISBN: 978 0 85679 407 0. 

[24] F.  Ballio,  A.  Cigada,  G.  Crotti  and  S.  Manzoni,  (2007)  Sviluppo  di  un  impianto  di  monitoraggio 

dell’erosione attorno alle pile del ponte ferroviario sul fiume Po in località Borgoforte. Report RFI. 

[25] P.A.  Johnson,  P.E.  Clopper,  L.W.  Zevenbergen,  P.F.  Lagasse,  (2015)  Quantifying  uncertainty  and 

reliability  in  bridge  scour  estimations.  Journal  of  Hydraulic  Engineering  141:04015013. 

doi:10.1061/(ASCE)HY.1943‐7900.0001017.  [26] B. Mazzorana, J. Hübl, A. Zischg et al., (2011) Modelling woody material transport and deposition  in Alpine rivers. Natural Hazards 56: 425‐449. https://doi.org/10.1007/s11069‐009‐9492‐y.  [27] S. Franzetti, A. Radice, M. Rabitti, G. Rossi, (2011) Hydraulic design and preliminary performance  evaluation of countermeasure against debris accumulation and resulting local pier scour on river  Po in Italy. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 137, n. 5, 615‐620.  [28] K.O. Hill, G. Meltz, (1997) Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview. Journal of  Lightwave Technology 15(8) 1263‐1276.  [29] G. Crotti, D. Isidori, A. Cigada, F. Ballio, F. Inzoli, E. Concettoni and D. Cristalli, (2016) A hydraulic 

monitoring  system  on  a  bridge  over  the  River  Esino,  Italy.  Journal  of  Civil  Structural  Health 

Monitoring, 6(3), 377‐384 doi:10.1007/s13349‐016‐0179‐2. 

(28)

Chapter 2:

Data analysis 

The analysis of the data from all the devices is composed by three different but correlated blocks.  Data reliability. One needs to find a procedure to ensure that the measured value (instantaneous or  averaged) is representative of the physical quantity that we are measuring. This is something that we  can omit for the standard devices (anemometer, hydrometer and video camera) because they can be  considered  reliable  by  definition.  A  device  can  be  classified  as  standard  (Chapter  1)  if  it  is  used  to  measure exactly what it was built for and its installation follows a provided user guide. 

Data  validation.  Even  though  the  data  reliability  is  not  an  issue,  a  validation  procedure  is  however  necessary to guarantee the proper functioning of the device. Metrology states the need for a periodic  confirmation  of instrumentation performance against  another reference device whose uncertainty is  known. This is possible only in a calibration center, but requires uninstalling the device from its position  and,  unavoidably,  stopping  the  measurements  with  a  loss  of  data.  This  is  not  easily  feasible  for  the  present installation, both from the economic and technical points of view. For this reason, we have tried  different methods to control the instrumentation’s good performance: doubling the same measurement  by  means  of  different  sensors  and/or  using  the  same  data  with  different  calculation  approaches.  Obviously, this is not an approach to avoid calibration but an economic way to understand if “everything  is ok”.  Long period analysis. It is carried out over time records longer than a one‐year period. These evaluations  allow to understand the behavior of the whole system around the bridge over time. The purpose is to  optimize the entire monitoring system and to have a big data archive to use, if necessary. 

2.1 Anemometer 

Data validation  The only way to check the wind data (in every moment) is by comparison against other wind stations  located in the bridge surroundings. Figure 2.1 gives this comparison for the cup anemometer on the  bridge (black diamonds) and a reference (grey triangles) from a station forming part of the Weather  Underground website[30]. The mentioned website collects data from weather stations all around the  world. The selected station for a proper data check is called IMANTOVA5 in Rivalta sul Mincio, a small  town 19 km north of the bridge. The database collects the average wind speed every 5 minutes, without  recording wind gust values. The wind direction is given on a 16‐wind compass rose. Also, real‐time data  checks are made possible through this approach, because the website updates frequently. 

(29)

‐ 23 ‐ 

 

Fig. 2.1 Comparison between the Borgoforte and IMANTOVA5 anemometer 

Looking at Figure 2.1, the wind trends are similar and the measured values are compatible, one in the  fluctuation range of the other. The Borgoforte station is exposed to free stream over the river water,  thus  having  quite  a  different  boundary  layer  when  compared  to  the  weather  station  IMANTOVA5  placed in a residential zone a few meters above the ground (around 10 m). It is expected that any bad  working  condition  of  the  weather  station  might  translate  into  a  complete  lack  of  signals,  or  signals  uncorrelated with those from nearby stations. Otherwise, signals are similar in shape to those from  other weather stations but with a scaling ratio changing with time. This case happens, for instance, due  to a growing friction of the ball bearings supporting the rotating vanes. This check is being performed  at least twice a year or in the event that strange signals are recorded. The use of a calibrated portable  wind  station  on  the  bridge  is  another  possibility  to  perform  data  checks.  Even  though  this  is  the  preferred choice, as the reference measurement is closer to the sensor being calibrated, this operation  is hardly being carried out during critical events such as floods.  Long period analysis  A long recording allowed for the identification of the main wind directions which are quite important  for the purpose of an overall bridge risk evaluation. The bridge is laid south to north whereas the water  stream flows from west to east (see Figure 1.3). Overlapping the yearly probability density functions  (PDF) of the wind direction, Figure 2.2 PDF ‐ Wind direction, we discover that the main winds blow in  the same or in the opposite direction with respect to the water stream. In other words, wind speed  produces the highest dynamic pressures on the bridge deck in almost all cases.  0 10 20 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Spee d (km/h) Hours

March 3rd, 2014 - Wind speed Borgoforte IMANTOVA5

0 90 180 270 360 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 D irec tion fr om (°) Hours

(30)

Other  information  can  be  achieved  by  the  probability  density  functions  (PDFs)  of  the  average  wind  speed and gusts (over 10 min records), as seen in Figure 2.2. In these plots we can observe that the  main statistical wind features are the same, independent of the year. In general, the mean wind speed  is low and 99% of velocity values are lower than 10 m/s. A similar scenario applies to the wind gust but  values are higher, with a peak seen at the speed of 4 m/s and the 99th percentile at 15 m/s.         Fig. 2.2 PDF of wind speed and gust (top). PDF of wind direction (bottom)  In 2014 the wind gust PDF has its main peak at lower values even though the 10‐minute average wind  speed  PDF  is  aligned  with  those  recorded  in  other  years.  This  shift  can  be  generated  by  a  growing  friction in the ball bearings supporting the rotating vanes, that can explain the odd value of wind gust  recorded. A deeper examination comparing data with those from other stations has showed that 2014  generally had lower wind speeds than usual (we exclude a device malfunction). For this reason, keeping  track of past data can be a winning point to improve the system’s reliability.  Moreover, during the analysis of wind data, we observed that the bridge can alter the wind structure  as a function of wind direction. Referring back to Figure 1.3, the anemometer is fixed to the East side  of the bridge. So if the wind comes from the East it meets, at the same time, the device and the bridge  structure.  Therefore,  when  the  wind  comes  from  the  West,  it  meets  first  the  bridge  and  then  the  anemometer. An example is plotted in Figure 2.3 where the coefficient of variation (ratio between the  standard deviation and the speed average) is shown for all 2013 registered values in the two opposite  wind directions. In Figure 1.3, 90° is the angle that represents the East direction; in the Figure 2.3 “from  0 0.002 0.004 0.006 0.008 0 90 180 270 360 PDF - Wind Direction 2013 2014 2012 2011 (N) (E) (S) (W)

(31)

‐ 25 ‐  (between 260° and 280°). Looking Figure 2.3 we observe that i) wind speed from the East is higher than  that from the West; ii) the relative standard deviation for West winds is twice (0.2) the value for East  winds (0.1). Thus, we can conclude that one anemometer is probably not enough for this type of bridge.  However, it would be necessary to avoid any bridge influence only if the risk analysis pointed out a real  danger in case of improperly‐measured wind speed.        Fig. 2.3 Relative standard deviation for all of 2013 from the East (left), from the West (right) and the  PDF of wind speed from both directions East and West  Obviously, these are only a few of the observations that can be done with this historical database. In  the present work we try to explore some statistical analysis to show the potentiality of this approach. 

2.2 Hydrometer 

Data validation  As the monitoring is carried out over the biggest Italian river, it is easy to check this value. Data are  available on the internet[31] from the Interregional Agency for the river Po (AIPo) which has its own  water level sensors on the same bridge. 

Figure 2.4  shows an example  of the information  that  can be  acquired. In the  background there is a  portion  of  the  Po  basin  in  which  there  are  highlighted,  using  triangles,  all  the  water  level  stations. 

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 2 4 6 8 10 12m/s14 Coefficient of variation 2013 -from East 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 2 4 6 8 10 12 14 m/s Coefficient of variation 2013 -from West 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 5 10 15 m/s PDF - Wind Speed From EAST From WEST

(32)

Different  colors  represent  different  water  levels  compared  to  specific  AIPo  thresholds  (green  =  normalcy, yellow = warning and orange = alert).    Fig. 2.4 Water level at Borgoforte using the AIPO webpage (in Italian)  Figure 2.5 (hourly average) shows an example in which the two sensors on the bridge are compared for  one month, producing exactly the same output.  12 16 20 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 m asl days

(33)

‐ 27 ‐  Long period analysis 

Figure 2.6 shows water levels between 2011 and 2015. These long recordings made it possible to obtain  some  river  characteristics.  For  instance,  the  periods  in  which  the  main  floods  occur  (May  and  November) or the dry periods with low water levels (July and/or August). These evaluations are also  crucial to define maintenance time‐windows. By knowing the level of the echo sounder (12.33 m asl),  we can check whether the device is out of the water (June 2012). In this period, a visual inspection can  be carried out, if needed. Using a rating curve (Table 1.1), it is also possible to convert the level into the  flow rate and vice versa, as shown in Figure 2.7.  Fig. 2.6 Borgoforte water levels (from 2011 to 2015) measured by hydrometer  Fig. 2.7 Borgoforte corresponding discharges from 2011 to 2015     

(34)

2.3 Echo sounder 

Data reliability 

For the echo sounder the data reliability check is necessary because we are using the instrument out of  its field application, that would be open water, as it is close to the pier where its signal can be disturbed  by  turbulence,  air  bubble  or  suspended  transport[17,18].  Bed  elevation  data  are  recorded  at  every  second: any single 1‐s reading may be returned in different formats, as follows: 

 Rxx.xx:  the  letter  R  before a  number  “xx.xx”  means  that the  measured  value  passed  all  the  internal checks of the validation software. This kind of value is called, henceforth, “Good”;   Rxx.xxE: the letter E after a number means that the value did not fully pass the validation checks,  thus the user may decide to use or discard it. This kind of value will be called “Unsure”;   R99.99E: No echo was received back by the instrument, indicating that the hydraulic condition  was too harsh or the device was above the water level;   E1: the echo‐sounder did not work correctly.  Occasionally, values of type “xx.xx” without any code were recorded. These cases were supposed to be  due to an imperfect synchronization between the sonar output and the control software. However, the  number  of  this  fake  results  was  fortunately  limited.  A  global  analysis  of  the  data  for  the  period  2013‐2015 showed that the Unsure values were generally similar to the Good ones, thus both Good  and Unsure data will be used in the analysis. The data treatment presented in the following considers  the first 10 days of January 2014. The data are organized in one‐hour file, that contains up to 3600  values. The preliminary operation, not shows in the present work, takes the one‐hour file sent from the  Borgoforte monitoring system and removes every single 1‐s reading different from Good or Unsure.  The simplest algorithm to compute one‐hour value for the bed elevation is by calculating the mean and  the variance of the available data (that are up to 3600 in number). The obtained results are plotted in  the Figure 2.8, where with black and red lines are represented, respectively, the bed elevation (one‐ hour mean) and the corresponding variance (using different y‐axis scale). The time of the x‐axis started  from 0 (1st January 2014) to 240 hours (10th January 2014). The mean elevation values were stable at  around 11 – 11.5 m asl except for times from 105 to 123 hours. In this 20‐hour period, an erosion and  deposition process apparently took place. Furthermore, the variance of the values, that was generally  negligible (a lower variance would correspond to a more reliable measurement), presented some spikes  in the same period (light blue zone). 

Riferimenti

Documenti correlati

So, we cry for Anna Karenina, not for nothing, not for an existing person whose destiny was similar to Anna’s, nor for an abstract entity: we cry for a woman who, in

sostenersi autonomamente, superando il problema del finanziamento pubblico 277. Tali iniziative, che sono anche le più efficaci grazie alla loro dimensione locale,

The comparison between the proposed approach and the surveyed literature may be made considering different aspects, e.g., (i) the size of the used database (i.e., duration of

The challenge we take, hence, is to bring current reflections on in/formality as social process back to (legal) development studies, notably in the framework of rule of law

Morphine- and ethanol-induced stimulation of neuronal firing of ventral tegmental area (VTA) dopaminergic neurons and of dopamine (DA) transmission in the shell of the nucleus

Il rivestimento uniforme in calcestruzzo bianco, i pavimenti in pino bianco americano, e i blocchi di marmo bianco striato che punteggiano gli spazi interni (come il setto portante

Keywords: negative curvature directions, second order necessary opti- mality conditions, grossone, conjugate gradient method..

Déterminée par une “”hégélianisation” diffuse de toutes nos pensées et de tous nos comportements” (Ibidem) l’idéologie du conflit élève le conflit à