Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

7
INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article ISSN 0976 – 4399 558 Analysis and Design of Underpass RCC Bridge Mohankar.R.H 1 , Ronghe.G.N 2 1 Lecturer, Civil Engineering Dept., G.H Raisoni College of Engineering, Nagpur, India. 2 Professor, Applied Mechanics Dept., Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur, India [email protected] ABSTRACT The Underpass RCC Bridge is very rarely adopted in bridge construction but recently the Underpass RCC Bridge is being used for traffic movement. In this paper, the analysis of the underpass RCC bridge is carried out. The analysis of this underpass RCC bridge is done by considering fixed end condition. Finite Element Method (FEM) analysis is performed and results are presented. Comparison of different forces between 2D and 3D models for fixed end condition is provided. In this study we show a 2D model can be effectively used for analysis purpose for all the loading condition mentioned in IRC: 6, “Standard Specifications and Code of Practice Road Bridges” The Indian Roads Congress and Directorate of bridges & structures (2004), “Code of practice for the design of substructures and foundations of bridges” Indian Railway Standard. Keywords: RCC Underpass bridge, FEM analysis. 1. Introduction The Underpass RCC Bridge is very rarely adopted in bridge construction but recently the Underpass RCC Bridge is being used for traffic movement. This underpass RCC bridge is pushed inside the embankment by means of hydraulic jack system Since the availability of land in the city is less, such type of bridge utilizes less space for its construction. Hence constructing Underpass Bridge is a better option where there is a constraint of space or land. Detailed analysis and design of underpass RCC bridge has not been carried out till date. Ronghe G. N. and Gatfane Y. M (20042005) have worked on the analysis and design of 2D underpass RCC bridge model. In this paper 2D along with 3D analysis of underpass RCC bridge is carried out considering six different loading conditions and eight different loading combinations which are considering from IRC: 62000, “Standard Specifications And Code Of Practice Road Bridges” The Indian Roads Congress and Directorate of bridges & structures (2004), “Code of practice for the design of substructures and foundations of bridges” Indian Railway Standard. The end condition is considered to be fixed for both 2D and 3D underpass RCC bridge model. 1.1 Modeling of system For the study of Underpass RCC bridge, earth pressure acting on side walls of underpass RCC bridge because structure embedded as well as vertical loading due to imposed load

description

RCC Bridge

Transcript of Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

Page 1: Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

558 

Analysis and Design of Underpass RCC Bridge Mohankar.R.H 1 , Ronghe.G.N 2 

1­ Lecturer, Civil Engineering Dept., G.H Raisoni College of Engineering, Nagpur, India. 2­ Professor, Applied Mechanics Dept., Visvesvaraya National Institute of Technology, 

Nagpur, India [email protected] 

ABSTRACT 

The Underpass RCC Bridge is very rarely adopted in bridge construction but recently the Underpass RCC Bridge is being used for traffic movement. In this paper, the analysis of the underpass RCC bridge  is carried out. The analysis of  this underpass RCC bridge  is done  by  considering  fixed  end  condition.  Finite  Element  Method  (FEM)  analysis  is performed and results are presented. Comparison of different forces between 2D and 3D models  for  fixed  end  condition  is  provided.  In  this  study we  show a 2D model  can  be effectively used  for analysis purpose  for all  the  loading condition mentioned  in  IRC: 6, “Standard  Specifications  and  Code  of  Practice  Road  Bridges”  The  Indian  Roads Congress and Directorate of bridges & structures (2004), “Code of practice for the design of substructures and foundations of bridges” Indian Railway Standard. 

Keywords: RCC Underpass bridge, FEM analysis. 

1.  Introduction 

The Underpass RCC Bridge is very rarely adopted in bridge construction but recently the Underpass RCC Bridge is being used for traffic movement. This underpass RCC bridge is pushed  inside the embankment by means of hydraulic  jack system Since the availability of  land  in  the  city  is  less,  such  type  of  bridge  utilizes  less  space  for  its  construction. Hence  constructing  Underpass  Bridge  is  a  better  option  where  there  is  a  constraint  of space or land. Detailed analysis and design of underpass RCC bridge has not been carried out till date. Ronghe G. N. and Gatfane Y. M (2004­2005) have worked on the analysis and design of 2D underpass RCC bridge model. In  this  paper  2D  along  with  3D  analysis  of  underpass  RCC  bridge  is  carried  out considering  six  different  loading  conditions  and  eight  different  loading  combinations which are considering from IRC: 6­2000, “Standard Specifications And Code Of Practice Road  Bridges”  The  Indian  Roads  Congress  and  Directorate  of  bridges  &  structures (2004),  “Code  of  practice  for  the  design  of  substructures  and  foundations  of  bridges” Indian Railway Standard. The end condition is considered to be fixed for both 2D and 3D underpass RCC bridge model. 

1.1 Modeling of system 

For the study of Underpass RCC bridge, earth pressure acting on side walls of underpass RCC bridge because structure embedded as well as vertical loading due to imposed load

Page 2: Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

559 

and  live  load  from  Bridge  rules,  “Rules  specifying  the  loads  for  designing  the  super­ structure and sub­structure of bridges and  for assessing the strength of existing bridges” (Indian Railway Standard  code) on  the  top of  underpass RCC  bridge  is  considered. As there  is  a  top  loading,  there  is  reaction  at  bottom  also.  This  underpass  RCC  bridge  is provided  for  city  traffic  also.  For  that  purpose  live  load  from  IRC:  6­2000  inside  the underpass RCC bridge is considered. 

Figure 1:  2D Model of RCC Underpass Bridge 

2D underpass RCC bridge model shown in Figure 1 is analyzed considering without soil structure interaction. 

Figure 2: 3D Model of RCC Underpass Bridge 3D underpass RCC bridge model shown in figure 2 is analyzed considering without soil structure interaction. 

Vertical 

Earth Pressure due to backfill 

Earth Pressure due to backfill 

Reaction at bottom

Page 3: Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

560 

2. Formulation 

2.1 Loads on the top of slab 

Total  load  for  bending  moment  and  shear  force  is  considered  from  IRS  code  rules specifying the loads for designing the super­structure and sub­structure of bridges and for assessing the strength of existing bridges. For span of 8m total load for bending moment 981kN and total load for shear force is 1154kN is considered. Dead load of earth fill over the box = Area x depth x density  ­­ 1.1 Total vertical pressure on top slab = Imposed load + Dead load + Live load  ­­ 1.2 

2.2 Loads on sidewalls 

The  coefficient  of  active  earth  pressure  of  the  soil  is  given  by  the  equation ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 

cos cos sin sin 1 cos cos 

cos

− − − − − +

+ × + ×

− = 

i i 

Ka

α δ α φ δ φ δ α α

α φ 

­­ 1.3 where, γ = Density of soil, ф = Angle of internal friction,δ = angle of friction between wall and earth fill Where value of δ  is not determined by actual tests, the following values may be assumed. (i) δ = 1/3 ø for concrete structures. (ii) δ = 2/3 ø for masonry structures. i  = Angle which  the earth  surface makes with  the horizontal behind  the earth  retaining structure ( i =0 0 for embedded structure). Since  this concrete structure  is embedded  in  soil,  the value of δ  is  considered as 1/3 ø (for concrete structures) considered for calculation of coefficient of active earth pressure of the soil. 

2.3 Earth pressure acting on the sidewalls: 

2.3. a) Earth pressure due to backfill 

Earth pressure center of top slab =  H Ka × × γ  ­­ 1.4 Earth pressure center of bottom slab =  H Ka × × γ  ­­ 1.5 

2.3. b) Earth pressure due to dead load surcharge 

Earth pressure acting on sidewalls: At Top = Imposed load of track + Earth pressure on the top of slab + Live load  ­­ 1.6 AT Bottom = Horizontal effect of surcharge + Earth pressure center of bottom slab  ­­1.7

Page 4: Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

561 

2.4 Reaction at the bottom of box 

Self weight of box = Weight of top slab + Weight of bottom slab + Weight of side walls  ­­ 1.8 

Total reaction at bottom=Self weight of box +Weight of imposed load +Weight of live load  ­­ 1.9 

The boundary condition considered is fixed. 

3. Analysis of 2D underpass RCC bridge model 

A  2D  underpass  RCC  bridge  (Figure  1)  is  modeled  considering  1m  length  for  the following  details  shown  below.  Box  dimensions:  1mx7.5mx4.1m  (LxWxH)  (Center  to center).  In  addition  to  the  dimensions mentioned  in  Figure  3,  following  parameters  are considered  for  the 2D analysis. Keeping all  the parameters same,  the analysis  is carried out using  two methods viz.  conventional  slope deflection method  (manual calculations) and  other  by  using  SAP2000  (programming  software).  The manually  calculated  values for the bending moment at corner A is 205kN­m and corner C is 302kN­m for dead load case. For the same corners A & C, the SAP results are found to be 203kN­m and 298kN­ m respectively. 

(a)                                                                          (b) 

Figure 3: (a) Center to center Dimensions of RCC Underpass Bridge (b) Dimensions of RCC Underpass Bridge 

Dimensions of underpass RCC bridge Clear horizontal opening  7 m Clear vertical opening  3.5 m Slab thickness  0.6 m Wall thickness  0.5 m Outer to outer horizontal width  8 m Outer to outer vertical height  4.7 m Length underpass RCC bridge      1 m Angle of internal friction (ф)  25 o Density of soil (γ)                          19 kN/m 3 Grade of concrete  M40 

7.5m 

4.1 

A  B 

C  D 

8 m 

3.5 m 

0.6 m 

0. 6 

7 m  0. 5 

0.5 m 

4.7

Page 5: Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

562 

Grade of steel  Fe415 The max BM and SF obtained for 2D underpass RCC bridge model considering without soil  stiffness  are  shown  in  Table  1.  Shear  force  and  bending  moment  diagram  after analysis is shown in Figure 4 (a) & (b) 

(a)  (b) 

Figure 4: (a) SF diagram for 2D Analysis  (b) BMD For 2D Analysis 

3.1 Validation of results 

The bending moment results obtained by slope deflection method and SAP2000 program for  2  dimensional model  of  underpass  RCC  bridge  are  approximately  same. The  slight variation of results may be due to the variation of moment of inertia values. Based on this validity of results further analysis of same 2D model for various combinations of loading cases was carried out. Also  it was observed that was the same corners of  the 3D model the bending moment results obtained were same and hence 3D analysis was carried out using SAP2000. 

Table 1: Max BM and Max SF of 2D 

Member  Results  Max BM & Max SF of 2D model without soil stiffness (kN­m) 

Max SF  456.33 BM ­ Mid Span  572.72 Top 

Slab  BM ­ Corner  339.94 Max SF  259.92 BM ­ Mid Span  372.73 Bottom 

Slab  BM ­ Corner  147.11 Max SF  79.68 BM ­ Mid Span  204.67 Side 

Walls  BM ­ Corner  339.94

Page 6: Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

563 

3.2 Analysis of 3D underpass RCC bridge model A 3D underpass RCC bridge is modeled considering total length 13m with details shown above and there is no change in details except length. Box dimensions: 13mx7.5mx4.1m (LxWxH) (Center to center).The max BM and SF obtained for 3D underpass RCC bridge model considering without soil stiffness are shown in Table 2. 

Table 2: Max BM and Max SF of 3D 

Member  Results  Max BM & Max SF of 3D model without soil stiffness(kN­m) 

Max SF  458.85 BM ­Mid Span  530.49 Top Slab BM ­Corner  413.63 Max SF  282.49 BM ­ Mid Span  377.87 Bottom 

Slab  BM ­ Corner  154.14 Max SF  78.93 BM ­ Mid Span  220.74 Side 

Walls  BM ­Corner  413.63 

4. Comparison of Result of 2d & 3d Underpass Rcc Bridge Model The  comparison  of  the maximum  bending moment  and  shear  force  values  obtained  for 2D and 3D underpass RCC bridge models which are considered without soil stiffness are compared. The comparison between these two results (Table 3) shows that the values of bending moment and shear  force for 2D and 3D model  for all  loading cases considered for  the  analysis  purpose  from  IRC:  6­2000,  “Standard  Specifications  and  Code  of Practice Road Bridges” The Indian Roads Congress and combinations, are approximately same. 

Table 3: Comparison of Max BM and Max SF of 2D model and 3D model of the box 

Comparison of Max BM of 2D & 3D model without soil stiffness 

Member  Results Max BM of 2D 

model without soil stiffness (kN­m) 

Max BM of 3D model without soil stiffness (kN­m) 

% Difference 

Max SF  456.33  458.85  0.55 BM ­Mid Span  572.72  530.49  ­7.96 Top Slab BM ­ Corner  339.94  413.63  17.82

Page 7: Analysis and Design of Underpass RCC Bridge.pdf

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 3, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

564 

Max SF  259.92  282.49  7.99 BM ­Mid Span  372.73  377.87  1.36 Bottom 

Slab  BM ­Corner  147.11  154.14  4.56 Max SF  79.68  78.93  ­0.95 BM ­Mid Span  204.67  220.74  7.28 Side 

Walls  BM ­ Corner  339.94  413.63  17.82 

5. Conclusions From the analysis  it can be observed that bending moment and shear  force obtained  for 2D  and  3D  model  are  approximately  same.  A  2D  model  can  be  effectively  used  for analysis  purpose  for  all  the  loading  condition  mentioned  in  IRC:  6  and  Directorate  of bridges  &  structures  (2004),“Code  of  practice  for  the  design  of  substructures  and foundations of bridges” Indian Railway Standard. Further research is needed to verify the use  of  2D  model  for  different  parameters  such  as  dynamic  analysis,  soil  structure interaction etc. 

6. REFERENCES 1. Ronghe G.N. And Gatfane Y.M. "Analysis And Design Of A Bridge By A Push Back System.” A Dissertation of M.tech In structural Engineering. 2004­2005. 

2. Directorate of bridges & structures (2004), “Code of practice for the design of substructures and foundations of bridges” Indian Railway Standard. 

3. IRC: 21­2000, “Standard Specifications And Code Of Practice Road Bridges” The Indian Road Congress. 

4. IS 456:2000, “Plain and Reinforced concrete code for practice” Bureau of Indian Standards. 

5. IRC: 6­2000, “Standard Specifications And Code Of Practice Road Bridges” The Indian Road Congress. 

6. IRC: 8­2000, “Design criteria for pre­stressed concrete road bridges (Post­Tension concrete)” The Indian Roads Congress.