Damage to bridges due to the 27 February 2010 Chile earthquake

8/17/2019 Damage to bridges due to the 27 February 2010 Chile earthquake

1/19

Damage to bridges due to the 27 February 2010

Chile earthquake1

Denis Mitchell, Sharlie Huffman, Robert Tremblay, Murat Saatcioglu, Dan Palermo,

René Tinawi, and David Lau

Abstract: T h i s p a p e r p r o v i d e s a s u m m a r y o f t h e d a m a g e t o b r i d g e s i n t h e M w 8 . 8 C h i l e e a r t h q u a k e o f 2 7 F e b r u a r y 2 0 1 0 .L e s s o n s f r o m t h e d i f f e r e n t t y p e s o f s t r u c t u r a l d a m a g e o b s e r v e d o n c o n c r e t e a n d s t e e l b r i d g e s a r e d i s c u s s e d . T h e i m p o r t a n t r o l e s p l a y ed b y s o i l l i q ue f a ct i o n, s e t t le m e nt a n d e m b an k me n t f a i lu r e s a r e h i g hl i g ht e d . A s p e c t s s u c h a s s h e a r f a i l u r e o f s t e e lp i l e s, s h e a r f a i l u re o f c o n c r e t e s u b s t r uc t u r e e l e m e n ts , f a i lu r e s a n d s e ve r e b u c k l i ng o f s t e e l b r a ce s , f a i l u r e s o f s h e a r k e y s a n dr e s t ra i n e rs a t s u p po r t s , a n d d a m a ge t o g i r de r s d u e t o l a c k o f d i a p h r a gm s a r e d e s cr i b e d. M a ny e x a m p l es o f l o s s o f s u p er s t r uc -t u r e s u p p o r t a r e p r e se n t e d. S k e w s u p p or t s a n d m u l t i - s pa n s i m pl y s u p p o r t ed b r i d ge s w e r e p a r t i c u l ar l y s u s c e p ti b l e t o l o s s o f s u p po r t . S e v e r a l a s p e c t s o f t h e C h i l e a n b r i d g e d e s i g n c o d e a r e d i s c u s s ed a n d c o m p a r ed w i t h N o r t h A m e r ic a n c o d e s ( C SAS 6 a n d A A S H T O ) .

Key words: b r i d ge s , s e i s mi c d e s ig n , b r i dg e c o d es , s e i s mi c i t y, s o i l a m p l i f i c at i o n , s k e w b r i dg e s , l o s s o f s u p po r t , d e t a il i n g.

Résumé : C e t a r t i c l e p r é s e n t e u n s o m m a i r e d e s d o m m a g e s s u b i s p a r l e s s t r u c t u r e s d e p o n t s d u r a n t l e s é i s m e d e m a g n i t u d eMw 8 , 8 s u r v e n u a u C h i l i l e 2 7 f é v r i e r 2 0 1 0 . O n d i s c u t e d e s l e ç o n s t i r é e s d e s d i f f é r e n t s t y p e s d e d o m m a g e s o b s e r v é s s u r l e sp o n t s e n b é t o n a r m é e t e n a c i e r . O n s o u l i g n e l e r ô l e i m p o r t a n t j o u é p a r l a l i q u é f a c t i o n d e s s o l s , l e s t a s s e m e n t s e t l a r u p t u r ed e s r e m b l a i s . O n d é c r i t d e s a s p e c t s c o m m e l a r u p t u r e e n c i s a i l l e m e n t d e p i e u x e n a c i e r , l a r u p t u r e e n c i s a i l l e m e n t d’élé-m e n t s p o r t e u r s e n b é t o n a r m é , l a r u p t u r e e t l e f l a m b e m e n t d e d i a g o n a l e s d e c o n t r e v e n t e m e n t e n a c i e r , l a r u p t u r e d e c l é s d ec i s a i l l e m e n t e t s y s t è m e s d e r e t e n u e h o r i z o n t a l e a u x a p p u i s e t l e s d o m m a g e s s u b i s a u x p o u t r e s d é c o u l a n t d e l ’a b s e n c e d e d i a -p h r a g m e s . L’a r t i c le p r é se n t e a u s s i p l u si e u rs e xe m p le s d e p e r t e d’a p p u i s a u x s u p e r s t r u c t u r e s . O n a n o t é q u e l e s p o n t s c o m -p r e na n t u n b i a i s o u p l u si e u rs t r av é e s s i m p l e me n t a p p u y é es é t a i e nt p a r t i cu l i è re m e nt v u l né r a b le s à u n e p e r t e d e s u p po r t a u xa p p u i s . C e r t a i n s a s p e c t s d u c o d e d e c o n c e p t i o n d e s p o n t s d u C h i l i s o n t p r é s e n t é s e t c o m p a r é s a u x c o d e s e n v i g u e u r e nA m é r i q u e d u N o r d ( C S A S 6 a n d A A S H T O ) .

Mots‐clés : p o nt s , c o n c ep t i on p a r a si s m i qu e , n o r m e s d e c o n ce p t i on , a l é a s i s mi q u e, e f fe t s d e s i t e , p o n t a ve c b i a i s, p e r t e d’ap -p u i , d é t a i l s r e l a t i f s à l a c o n c e p t i o n .

Introduction

T h e 2 7 F e b r u a r y 2 0 1 0 , M w 8 . 8 s u b d u c t i on e a r t h qu a k e o c -c u r r e d a t 0 3 3 4 l o c a l t i m e w i t h t h e m a i n s h o c k l o c a t e d j u s t o f f t he c oa st a bo ut 1 00 k m n or th o f t he m aj or c it y o f C on ce p-c ió n. T hi s m ai n s ho ck w as f ol lo we d b y a l ar ge n um be r o f a ft er sh oc ks ( Fi g. 1 ). T he r up tu re z on e, e st im at ed t o b e5 0 0 k m l o n g a n d 1 0 0 k m w i d e ( U S G S 2 0 1 0 ) , e x t e n d e d o v e r r u pt ur e z on es o f t he 1 98 5 a nd 1 96 0 C hi le e a rt hq ua ke s. T heb r i dg e s r e p o r te d i n t h is p a pe r w e re l o ca t ed f r om S a nt i ag o i nt h e n o r t h t o T u b u l , 6 0 k m s o u t h - w e s t o f C o n c e p c i ó n .

Ta bl e 1 s um ma r iz es s om e o f t he r ec or ds a t v ar io us l oc a -t io ns . T he re w er e s ig ni f ic a nt ly d if fe re nt a cc e le ra ti on s r e-

c or de d i n S an ti ag o, w hi ch i s l oc at ed i n a n a ll uv ia l b as inb e tw e en t h e c o as t al a n d A n de s m o un t ai n r a ng e s. T h es e d i f-

f er e nc e s a r e d u e t o t h e d i ff er e nt s o il c o nd i ti o ns t h ro u gh o ut t he c it y. F ig ur e 2 s ho ws t he a cc e le ra ti on–t im e h is to r y r e-c or de d i n a b ui ld in g a t t he U ni ve rs id ad d e C hi le . R ec or ds i nC o nc e pc i ón i n di c at e s t ro n g g r ou n d s h ak i ng a c c en t ua t ed b yt he p re se nc e o f s of t s ed im en ta r y s oi l a s w el l a s r eg io ns w it hc o mp a ct e d s a nd . T h e m a xi m um a c c el e ra t io n s i n t h e h o ri z on -t a l a n d v e r t i c a l d i r e c t i o n s w e r e 0 . 6 5g a n d 0 . 5 8g, respectively,w i t h s t r o n g g r o u n d m o t i o n r e c o r d e d o v e r 5 0 s a n d a t o t a l d u -r a t i o n o f 1 2 0 s .

I t w a s o b s e r v e d t h a t b r i d g e s i n t h e S a n t i a g o r e g i o n s e e m e dt o h a v e f e w e r i n s t a n c e s o f g r o u n d r e l a t e d f a i l u r e s c o m p a r e d t ot h e b r id ge s a l on g H i gh wa y 5 , s ou t h o f S a nt i ag o a n d b r id ge si n t he C on ce pc ió n a re a. M any o f t he ov er pa ss es c ro ss in g

H i gh wa y 5 w e re c o ns t ru c te d i n t h e p e ri o d 2 0 00–2 0 0 1 a s p a r t o f m a j o r p u b l i c–p r i va t e p a r t ne r s hi p ( P P P) p r o j ec t s .

R e c e iv e d 1 0 D e c e m b er 2 0 10 . R e v i s io n a c c e p t e d 5 A p r i l 2 0 1 2. P u b l i s he d a t w w w. n r cr e s e ar c h pr e s s. c o m/ c j c e o n J u n e 2 0 1 2.

D. Mitchell. M c G i l l U n i v e rs i t y, D e p ar t m e nt o f C i v il E n g in e e ri n g , 8 1 7 S h e r b r oo k e S t r e e t W es t , M o n tr e a l , Q C H 3 A 0 C 3, C a n ad a .S. Huffman. M i n i s t r y o f T r a n s p o r t a t i o n a n d I n f r a s t r u c t u r e , V i c t o r i a , B C V 8 W 3 E 6 , C a n a d a .R. Tremblay. D é p a r t e m e n t d e g é n i e c i v i l , É c o l e P o l y t e c h n i q u e d e M o n t r é a l , M o n t r é a l , Q C H 3 C 3 A 7 , C a n a d a .M. Saatcioglu and D. Palermo. D e p ar t m e nt o f C i v il E n g in e e r in g , U n i v e rs i t y o f O t t aw a , O t t a w a , O N K 1 N 6 N 5 , C a n a d a .R. Tinawi. C a n ad i a n S e i s mi c R e s ea r c h N e t w o r k, D e p a r tm e n t o f C i v il E n gi n e e ri n g , M c G i l l U n i ve r s i ty , M o n t r e al Q C H 3 A 2 K 6 , C a n a d a .D. Lau. D e p a r tm e n t o f C i v il a n d E n vi r o nm e n ta l E n gi n e e r in g , C a r l e t o n U n i v e rs i t y, O t t aw a , O N K 1 S 5 B 6 , C a n a d a .

Corresponding author: Den is Mitch ell ( e- mail: d en is.mitch ell@ mcg ill.ca) .1T h i s p a p e r i s o n e o f a s e l e c t i o n o f p a p e r s i n t h i s S p e c i a l I s s u e o n L e s s o n s L e a r n e d f r o m R e c e n t E a r t h q u a k e s .

C an . J . C iv. En g. :

6

675

–40


2/19

Chilean bridge design code requirements

B e f o r e 1 9 5 0 , d e s i g n e r s o f b r i d g e s i n C h i l e w e r e g u i d e d b ye x pe r i en c e a n d g u id e li n es t h at e xc l ud e d s e is m ic c o ns i de r a -

t i o n s. D e s i gn e r s t y p i c al l y u s e d A A S H O ( 1 9 5 0 ) s p e c if i c a t i on sa ft er 1 95 0. B efo re t he 1 98 5 e ar t hq ua ke t he s ei sm ic d es ig nc oe ff i ci en t w as 0 .1 2 a nd t hi s c oe ff ic ie nt w as i nc re as ed t o0 .1 5 a ft er t hi s e ar th qu ak e. I n t he 2 00 2 a nd 2 00 8 C hi le anb r id ge d es ig n c od es ( Mi ni st er i o d e O br as P ub li ca s 2 00 2,2 0 0 8 ) , t h r e e s e i s m i c z o n e s w e r e i n t r o d u c e d w i t h p e a k g r o u n da c c e l e ra t i o n s o f 0 . 2g, 0 . 3g, a n d 0 . 4g, h a v i n g a p r o b a b i l i t y o f e xc e ed an ce o f 1 0% i n 5 0 y ea rs ( 47 5 y ea r r et ur n p er i od ). Ta -b le 2 g iv es t he v al ue s o f t he e ffe c ti ve a cc e le ra ti on ( A0) a n dc o e f f i c i e n t o f a c c e l e r a t i o n ( A0

0) ( d e f i n e d a s A 0 / g) f o r t h e t h r e e

zones.F ig ur e 3 s ho ws t he z on al r eg io ns o f t he c en tr al p ar t o f

C hi le , w it h t he z on es i nc re as in g t ow ar ds t he c oa st a l f au lt

l in es . S an ti ag o i s i n z on e 2 a nd C on ce pc ió n i s i n z on e 3 .T h e b r i d g e s a l o n g H i g h w a y 5 r e p o r t e d i n t h i s p a p e r w e r e a l ll o c a t e d i n z o n e 2 w h i l e t h e b r i d g e s i n R a p e l , C o n c e p c i ó n a n dT u b u l a r e a l l i n z o n e 3 .

T h e s e i s m i c d e s i g n c a t e g o r i e s a r e f u n c t i o n s o f t h e e f f e c t i v em a x i mu m a c c e l e ra t i o n , A0, t he e xp ec te d s er vi ce l ife o f t heb r id g e a n d t h e i m po r t an c e c a t eg o r y. T h e s o il f ac t or , S , v a r i e df r o m 0 . 9 f o r r o c k t o 1 . 3 f o r s o f t s o i l . T h e d e s i g n m e t h o d s i n -c lu de d a s ei sm ic c oe ff i ci en t m et ho d fo r s im pl e b r id ge s, as e is m ic c o ef f ic i en t m e th o d a c c ou n ti n g f or t h e p e ri o d o f t h ef i r s t m o d e , m o d a l a n a l y s i s a n d t i m e h i s t o r y a n a l y s i s .

T h e d e si g n f o r c es a r e o b ta i ne d f r om t h e e l as t ic f or c es d i v-i de d b y f or ce m od if i ca ti on f ac to rs . T ab le 3 g iv es t he f or cem o di f i ca t io n f ac t or s f or t h e l o ng i tu d in a l ( RL ) a n d t r an s ve r se( RT) d es ig n d ir ec ti on s fo r d if fe re nt s tr u ct ur al s ys te ms . A llf ou n da t io n e l e me n ts a r e d e si g ne d w i th a f or c e m o di f i ca t io n

Fig. 1. L o c a t i o n s o f e p i c e n t r e a n d a f t e r s h o c k s ( c o u r t e s y o f t h e U S G e o l o g i c a l S u r v e y ) .

Table 1. M a x i mu m a c c e l er a t i on s f r o m p r e l i m in a r y r e c o rd s ( B o ro s c he k e t a l . 2 0 1 0 a n dBar r ien to s 2 0 1 0 ) .

Statio nMax imu m h o r izo n tala c c e le r a t i on (g)

Max imu m v er ticala c c e l er a t i on (g)

Universidad de Chile, Santiago 0.1 7 0.14Mirador sub way station, Santiago 0.2 4 0.13CRS Maip u, Santiago 0.5 6 0.24Hospital Tisne, Santiago 0.3 0 0.28Hospital Soter o de Rio, Santiago 0.2 7 0.13Camp us Antumapu , Santiago 0.2 3 0.17Hospital Cur ico 0.4 7 0.20Hospital Valdivia 0.1 4 0.05Co leg io San Pedro, Concepción 0.6 5 0.58

Can. J. Civ. Eng. Vol. 40, 2013

P u b l i s h e d b y N R C R e s e a r c h P r e s s

676


3/19

f ac to r o f 1 .0 . E xp an si on j oi nt s a n d p la te s up po r ts a re d e-s ig ne d w it h a fo rc e m od if ic a ti on f ac to r o f 0 .8 . S he ar k ey sa n d b a se p l at e s a r e d e si g ne d w i th a f or c e m o di f i ca t io n f ac t or o f 1 . 0 .

T h e m i ni m um s u pp o r t l e ng t h r e qu i re m e nt s o f t h e C h il e a nbridge c ode are the same as the re quirements in theA AS HT O s pe ci f ic at io ns ( AA SH TO 2 00 4) a nd i n t he C SAS 6 C an ad ia n H ig hw ay B ri dg e D es ig n C od e ( CA N/ CS A2 0 06 ) . T h e r e qu i re m en t s i n C SA S 6 d i ff er f r om t h e C h i l e an

c od e fo r t he d et er mi na ti on o f t he s up po r t l en gt h p ro vi de d,w i t h t h e C S A S 6 c o d e r e q u i r i n g t h e e x c l u s i o n o f t h e c o n c r e t ec o v e r i n t h e s e a t r e g i o n .

T he t ra ns ve rs e d is pl ac em en t o f t he s up er st r uc tu re i s r e-s tr ic te d b y s to ps ( sh ea r k ey s) t ha t m us t b e d es ig ne d t o b ed uc t il e a nd h av e a m in im um h ei gh t o f 3 00 m m. T he m in i-m um m ov em en t t ha t m us t b e a cc om mo da t ed a t e xp an si on

joints in the deck slab are specified. The horizontal re-s t ra i ne r s m u st b e d e si g ne d t o r e si s t t h e s e is m ic d e si g n f or c ea nd m us t b e d uc ti le . T he C hi le an b r id ge c od e a l so r eq ui re st ha t v er t ic al r es tr ai ne rs b e d e si gn ed t o t ak e a f or ce e qu al t ot h e s u p p o r t r e a c t i o n t i m e s t h e f a c t o r K v, d e f i n e d a s

Fig. 2. Acceler atio n–t i m e r e c o r d s r e g i s t e r e d i n s i d e a b u i l d i n g a t t h e U n i v e r s i d a d d e C h i l e : (a) N S , (b) E W , a n d (c) v e r t i c a l ( a d a p t e d f r o mB o r os c h ek e t a l . 2 0 10 ) .

Table 2. Valu es o f ef f ectiv e acceler atio n , A 0,a n d c o e f f i c i e n t o f a c c e l e r a t i o n , A 0′, f o r t h et h r ee s e i s mi c z o n e s.

S e i s mi c z o n e A0 A001 0.2g 0 .22 0.3g 0 .33 0.4g 0 .4

Fig. 3. S e i s m i c z o n e s i n t h e c e n t r a l p a r t o f C h i l e ( a d a p t e d f r o mM i n i s t e r i o d e O b r a s P u b l i c a s 2 0 0 8 ) .

Table 3. F o r c e m o d i f i c a t i o n f a c t o r s i n 2 0 0 8 C h i l e a nb r i d g e d e s i g n c o d e .

Str u ctu r al elemen t RL RTWall pier s 3 2I ndividual co lumn 3 3Multiple column s 3 3I nclined colu mns 3 2

I ndividual p ile 3 3Ver tical piles 3 4Batter ed p iles 3 2

Mitchell et al.


677


4/19

½1 K v ¼ A0 = 2g

T he v er t ic al r es tr ai ne rs m us t b e d es ig ne d f or a n et u pl if t f or ce g iv en b y e q. [ 1] w it ho ut a c co un ti ng f or t he r ea c ti onf o r c e . T h e v e r t i c a l r e s t r a i n e r m u s t c o n s i s t o f a n a n c h o r e d v e r -t i c a l b a r ( s ) o f a t l e a s t 2 2 m m i n d i a m e t e r a n d m u s t b e o f r e -i n f o r c i n g s t e e l w i t h a n u l t i m a t e s t r e n g t h a t l e a s t e q u a l t o 1 . 2 5t im es t he y ie ld s tr en gt h o f t he s te e l. I n a dd it io n, t he d if fe r-e n c e b e tw e en t h e a c tu a l a n d s p ec i f ie d y i el d s t re n gt h c a n no t e xc e e d 1 2 0 M P a. T h es e r e qu i re m en t s a r e a i me d a t p r ov i di n gd u ct i le r e st r ai n er s . T h e g i rd e rs m u st a l so h av e d i ap h ra g ms a t t h e s u p p o r t s .

I t i s n o te d t h at t h e r e co r de d g r ou n d m o ti o ns e xc e ed e d t h eg r ou n d m o ti o ns c o r re s po n di n g t o t h e z o na l a c c el e ra t io n l e v-

e ls . F or e xa mp le , i n t he s of t s oi l r eg io n o f M ai pu i n S an -t i ag o , t h e r e co r de d h o ri z on t al p e a k g r ou n d a c c el e ra t io n ( p ga )w a s 0 . 5 6g c o m p a r e d t o 0 . 3 9g ( i . e . , 1 . 3 ( s o f t s o i l f a c t o r ) t i m e st h e z o na l a c c el e ra t io n o f 0 . 3) . I n C o nc e pc i òn , t h e z o na l p g ai nc lu di ng t he e ffe ct s o f s of t s oi l i s 1 .3 × 0 .4 = 0 .5 2g com-p ar ed w it h t he m ea su re d p ga o f 0 .6 5g. I t i s n ot ed t ha t t heh i gh e st s o il a m pl i fi c a ti o n f ac t or i s 1 . 3 i n t h e C h il e a n b r i d ged e s i g n c o d e v e r s u s 2 . 0 i n C S A S 6 - 0 6 .

Bridge damage statistics

A c co r di n g t o t h e C h il e an M i ni s tr y o f P u bl i c Wo r ks ( M in -i s te r io d e O b ra s P u bl i ca s ( M OP ) ) t h er e w e re 7 2 50 h i gh wa yb r id ge s i n C hi le i n 2 01 0, w it h 6 80 0 u nd er t he d ir ec ti on o f

M O P a n d 4 5 0 h i gh wa y b r i dg e s t h at w e re p r iv a te l y o p e r a te d( e .g . , H i g h wa y 5 o ve r p as s es s o ut h o f S a nt i ag o ). O f t h e 7 2 50h ig hw ay b ri dg es , 2 03 ( 2. 8% ) s uf fe re d d am ag e w it h 1 8 o f t he se d am ag ed b ri dg es s uf fe ri ng f ro m t he l os s o f o ne o r m o r e s p a n s .

Liquefaction and severe settlement

T he re w er e m an y e xa mp le s o f s et tl em en t o f b ri dg e a p-p ro ac he s w hi ch i n m an y c a se s r en de re d t he b r id ge s i no pe r-a bl e i mm ed ia te ly a fte r t he e ar th qu ak e. Th is wa s a lsoa c c om p an i ed b y e m ba n km e nt s l op e f a il u re s . F i gu r e 4 s h ow st he s ev er e s et tl em en t o f t he a pp ro ac h a t t he e as t e nd o f a

t wo -s pa n b ri dg e l oc a te d 2 0 k m n or t h o f R an ca gu a c ro ss in gH i g h wa y 5 .

F ig ur e 5 s ho ws t he 1 .4 m s et tl em en t o bs er ve d o n t he a p-p ro ac h s pa ns fo r t he J ua n P ab lo I I b ri dg e i n C on ce pc ió n.T h er e w a s e v id e nc e o f l i qu e fa c ti o n w i th s a nd b o il s o b se r ve da d ja c en t t o t h e b r id g e. T h e c o lu m ns u n de r w en t e x tr e me s e t-t le me n t ( se e F ig s. 5b a n d 5c) a nd o ne c ol um n h ad s ig ns o f s h ea r- c om p re s si o n f a il u re . T h is b r i dg e w as c o ns t r uc t ed i n1 96 4 p ri or t o t he i nt ro du c ti on o f d uc ti le s ei sm ic d es ig n a nddetailing requirements.

T he re w er e m an y e xa mp le s o f s oi l l iq ue fa ct io n t ha t r e-s ul te d i n d am ag e t o b r id ge s i n l ar ge a re a s s ou th o f C on ce p-c i ón . S e ve r e s o il l i qu e fa c ti o n a n d l a rg e g r ou n d m ov e me n tsr e s u l t e d i n t h e l o s s o f s u p p o r t o f o n e s p a n o f t h e W e s t R a m -

a d i l l a s 1 4 - s p a n s t e e l b r i d g e w i t h c o n c r e t e w a l l p i e r s a s s h o w ni n F i g . 6 .F ig ur e 7 s ho ws a 2 2- sp an d ou bl e s te el g ir de r I ta ta R iv er

b r i d g e s u p p o r t e d o n c o n c r e t e w a l l p i e r s . I t w a s b u i l t i n 1 9 9 0a n d h a d s o l i d c o n c r e t e d i a p h r a g m s a t t h e p i e r s u p p o r t s o f t h eg ir de rs a nd s te el b ra ce s b et we en t he g ir de rs a t l oc at io nsa lo ng t he s pa ns . T he b ri d ge h ad b ee n s tr en gt he ne d p ri or t ot h e e a r th q ua k e b e ca u se o f e xc e ss i ve v i br a ti o n d u e t o v e hi c let ra ff i c a nd c on ce r n f or f at ig ue e ff ec ts . F ig ur es 7b a nd 7cs ho w e vi de nc e o f l iq ue fa c ti on n ex t t o o ne o f t he p ie rs a nds e v e r e c r a c k s i n t h e o u t r i g g e r c a p b e a m a n d s h e a r k e y .

T he C SA S 6- 06 c od e ( CS A 2 00 6) i n S ec ti on 4 .6 .2 i nd i-c a t e s t h a t i f t h e s o i l i s l i q u e f i a b l e t h e n e i t h e r p i l e f o u n d a t i o n so r s oi l d en si fi c at io n s ho ul d b e c o ns id er ed , o th er wi se t heb ri dg e m us t b e d es ig ne d t o w it hs ta nd t he r es ul ti ng g ro un dm ot io ns . T he 2 00 9 A AS HT O s ei sm ic d es ig n g ui de li ne s( A AS H TO 2 0 09 ) r e qu i re s t h at l i qu e fa c ti o n s h ou l d b e c o ns i d-e re d i f t he g ro un dw at er l e ve l i s w it hi n 5 0 f t ( 15 m ) a nd t hes e i s m i c d e s i g n c a t e g o r y i s C o r D . A l i q u e f a c t i o n a s s e s s m e n t i s a ls o r eq ui re d i f t he s ta nd ar d p en et ra ti on t es t ( ST P) b lo wc ou nt i s e qu al t o o r l e ss t ha n 2 5 b lo ws /f t o r t he s he a r w av ev el o ci t y i s l e ss t h an 6 6 0 f p s ( 2 00 m / s) . E v id e nc e o f l i qu e fa c -t i on i n p a st e a r th q ua k es a l so t r i gg e rs a l i qu e fa c ti o n a s se s s-m e nt o f t h e s i te . I f l i qu e fa c ti o n i s p o ss i bl e , t h es e g u id e li n esp er mi t t he d es ig ne r t o u ti li ze a s it e- sp ec if i c s pe ct r um , a c-c o un t in g f or t h e l i qu e fi a bl e s o il . T h e g u id e li n es a l so r e qu i re

Fig. 4. S e v e r e s e t t l e m e n t o f a p p r o a c h f o r b r i d g e , 2 0 k m n o r t h o f R a n c a g u a , c r o s s i n g H i g h w a y 5 .



678


5/19

t ha t a cc o un t b e t ak en o f t he p os si bl e d if fe re nt l oc at io ns o f p l a s t i c h i n g i n g i n t h e f o u n d a t i o n a n d t h a t a n a n a l y s i s b e c a r -r ie d o ut w it h a nd w it ho ut t he p os si bi li ty o f l iq ue fa ct io n i nd e te r m in i ng t h e s h ea r r e in fo r ce m en t i n d u ct i le s u bs t r uc t ur ee l e me n ts . T h e p o ss i bl e p e r ma n en t l a te r al g r ou n d d i sp l ac e -

m en ts a s w el l a s i nc re a se d l at er al p re ss ur es o n t he b r id gea n d r e ta i ni n g w a ll s m u st b e c o ns i de r ed . T h e C o mm e nt a r y t ot h es e g u id e li n es c a u ti o ns t h e d e si g ne r t o c o ns i de r t h e p o te n -t i a l l o s s o f s t r e n g t h a n d s e t t l e m e n t t h a t r e s u l t i n s l o p e f a i l u r e ,l a te r al s p re a di n g, r e du c ed f ou n da t io n b e a ri n g r e si s ta n ce , r e -d uc e d s oi l s ti ff ne ss , a nd v er t ic al g ro un d s et tl em en t. T hem o re d e ta i le d p r ov i si o ns o f t h e A A SH T O g u id e li n es p r ov i deu s e f u l i n f o r m a t i o n f o r u p d a t i n g t h e C S A S 6 - 0 6 c o d e .

Loss of support

T he re h ave b ee n m any e xa mp le s o f l os s o f s up po rt o f b r i d g e s i n p a s t e a r t h q u a k e s , i n c l u d i n g t h e 1 9 7 1 S a n F e r n a n d oe ar t hq ua ke i n C al if or n ia ( Je nn in gs 1 97 1) , t he 1 99 1 Ta la -m a nc a e a r th q ua k e i n C o st a R i ca ( M it c he l l a n d T i na wi 1 9 92 )a nd t he 1 99 5 H yo go -K e n N an bu i n K ob e ( An de rs on e t a l.1 9 9 6 ; B r u n e a u e t a l . 1 9 9 6 ) .

F ig ur e 8 s ho ws t he M an ue l A nt on io M at ta B r id ge , o ne o f s ev e ra l b r i dg e s i n S a nt i ag o t h at s u ff er e d c o ll a ps e d u e t o l o sso f s up po rt . T hi s 8 ye ar o ld b ri dg e h ad a s ea t l en gt h i n t hel on gi tu di na l d ir ec ti on o f 5 00 m m. O ne e nd l os t c om pl et es up po rt w it h p ar ti al l os s o f s up po rt a t t he o th er e nd . T heb r id g e w a s r e mo ve d a n d t h e u n da m ag e d s t e e l b e am s w e re t ob e r e us e d i n t h e c o ns t r uc t io n o f t h e r e pl a ce m e nt b r id g e.

Fig. 5. S e ve r e s e tt l em e nt o f a p pr oa c h s pa n s f or t h e J u an P a bl o I I b r id ge d ue t o l i qu e fa c ti o n: (a) a p p r o a c h s l a b , (b) e l e v a t i o n v i e w s h o w i n gs e t t l em e n t a n d e v i de n c e o f l i q ue f a ct i o n, (c) f o u n d a t i o n f o r c o l u m n s , a n d (d ) s h e a r- c o mp r e ss i o n f a i lu r e o f c o l um n .

Fig. 6. C o l l a p s e d s p a n o f t h e w e s t R a m a d i l l a s s o u t h o f C o n c e p c i ó ns h ow i n g s e ve r e s o i l l i q ue f a ct i o n.

Mitchell et al.


679


6/19

F i gu r e 9 s h ow s t h e l a rg e t r an s ve r se m ov e me n ts o f t h e p r e-c a st p r et e ns i on e d s u pe r st r u ct u re r e la t iv e t o t h e a b ut m en t a t t he w es t e nd o f t he L as M er ce de s b ri dg e c ro ss in g H ig hw ay5 n e ar R a nc a g ua . T h e l a r g e d i sp l ac e me n ts r e su l te d i n l o ss o f s u p p o r t o f t h e e x t e r i o r p r e c a s t g i r d e r a t t h e s o u t h w e s t c o r n e r ( Fi g. 9b) . T hi s b ri dg e, c on st r uc te d i n 2 00 1, h ad s ke w s up -p or t s a nd h ad s ig ni fi ca n tl y g re at er d is pl ac em en ts t ha n t heb r i d g e s w i t h o u t s k e w s u p p o r t s . A s i s t y p i c a l o f s k e w b r i d g e s

t h e t r an s ve r se d i sp l ac e me n ts o f t h e s u pe r st r u ct u re a r e l i mi t edi n t he d ir ec ti on o f t he s ke w “closing” a n d a re a mp li f ie d i nt he d ir ec t io n o f t he s ke w “opening” ( se e F ig . 9d ) . T hi s r e-s ul te d i n t he w es t e nd o f t he s up er st r uc t ur e m ov in g a d is -tance of 1400 mm towards the south and the east endm ov in g 7 00 m m t ow ar ds t he n or th ( se e F ig . 9 ). F ig ur e 9es h o w s a c l o s e u p o f t h e u n s e a t i n g o f a n i n t e r i o r g i r d e r , i l l u s -t r a t i n g t h e n e e d t o d i s c o u n t t h e c o v e r c o n c r e t e w h e n c h e c k i n gt he m in im um s up po r t l en gt h a s r eq ui re d i n t he C SA S 6- 06c od e. T hi s b ri dg e i s t yp ic a l o f m an y s im il ar b ri dg es b ui lt a s

p ar t o f t he P PP p ro je c ts . T he se p re ca st c on cr et e b r id ge s a res e mi - co n ti n uo u s, w i th c o nt i nu i ty p r ov i de d o n ly b y t h e d e cks l a b . T h e l o s s o f s u p p o r t o f t h i s s k e w b r i d g e i n t h e t r a n s v e r s ea n d l o ng i tu d in a l d i re c t io n s e m ph a si z e s t h e n e e d t o a c c ou n t f o r t h i s t e n d e n c y i n b r i d g e d e s i g n c o d e s .

F i g u r e 1 0 s h o w s t h e l o s s o f s u p p o r t s u f f e r e d b y t h e m u l t i -s pa n b r id ge c ro ss in g t he R io B io -B io i n C on ce pc ió n. T heo ri gi na l t im be r b ri dg e w as r e- bu il t i n 1 94 3 a nd w as c om -p le t el y c lo se d i n 2 00 2 d ue t o c o nc e rn f or t he s ei sm ic s af et yo f t he s tr u ct ur e. T he s up er st r uc tu re c on si st ed o f fo ur s te e lb ea ms a nd a c on cr et e d eck a nd wa s s up po rt ed o n u nr ei n-fo rc ed c o nc re te w al l p ie rs . D ue t o t he e ar t hq ua ke s eve ra lw a l l p i e r s f a i l e d a n d s e v e r a l s p a n s s l i d o f f t h e i r s u p p o r t s .

Fig. 8. L o s s o f s u p p o r t a t a b u t m e n t o f t h e M a n u e l A n t o n i o M a t t aB r i d g e i n S a n t i a g o .

Fig. 7. D a m a g e t o P u e n t e I t a t a n e a r C o n c e p c i ó n : ( a) m u l ti - s pa nb r i d g e , (b) s e t t l e m e n t a n d s o i l l i q u e f a c t i o n , a n d (c) f a i l u r e o f c o r b e la n d s h e a r k e y .

680 Can. J. Civ. Eng. Vol. 40, 2013



7/19

Fig. 9. T wo - s pa n p r e c as t p r e te n s i on e d g i r de r L a s M e r c ed e s b r i d ge c r o ss i n g H i g h w ay 5 : (a) l a t e r a l m o v e m e n t o f 1 4 0 0 m m a t w e s t a b u t m e n t ,(b) l o s s o f s u p p o r t o f e x t e r i o r g i r d e r a n d t e m p o r a r y s u p p o r t c o l u m n , ( c) t r a n s v e r s e d i s p l a c e m e n t o f 7 0 0 m m a t e a s t e n d , (d ) p l a n v i e w s h o w -i n g s k e w s u p p o r t s a n d t r a n s v e r s e m o v e m e n t s a t a b u t m e n t s , a n d ( e) c l o s e u p o f u n s e a t i n g o f i n t e r i o r g i r d e r .

Fig. 10. A b a n d o n e d m u l t i - s p a n b r i d g e c r o s s i n g t h e R i o B i o - B i o : ( a) l o s s o f s p a n s a n d (b) s m a l l s u p p o r t l e n g t h .

Mitchell et al.


681


8/19

F ig ur e 1 1 s ho ws t he l os s o f s up po r t o f t he p re c as t p re te n -s io ne d L la co le n b r id ge i n C on ce pc ió n, b ui lt i n 2 00 0. T hi sb r i dg e a t a n i n te r ch a ng e h a d c o mp l ex g e om e tr y a n d s u ff er e ds i g n if i c a n t l o n g i t u d i na l a n d t r a n s ve r s e m o v e m e n t o f t h e g i r d -e r s r e l a t i v e t o t h e a b u t m e n t s u p p o r t . T h i s b r i d g e p r o v i d e d t h e

a c c e s s t o t h e o n l y b r i d g e c r o s s i n g o f t h e R i o B i o - B i o f o l l o w -i ng c ol la ps e o f t he o th er m ai n b ri dg e. F ig ur e 1 1a s h ow s t h et em po ra r y s te el b ri dg e t ha t w as e re c te d t o r ep la ce t he c ol -l a p s ed s p a n .

F i g u r e 1 2 s h o w s t h e l o s s o f s p a n , f o l l o w e d b y t h e c o l u m n s

Fig. 11. L o s s o f s u p p o r t o f p r e c a s t g i r d e r s o f L l a c o l e n b r i d g e i n C o n c e p c i ó n : (a) l o s s o f s u p p o r t a n d t e m p o r a r y r e p l a c e m e n t s t r u c t u r e i nb ack g r o un d , (b) c l o s e u p o f a b u t m e n t s u p p o r t , (c) c l o s e u p o f s u p p o r t , a n d (d ) l a r ge r o t at i o n s a n d l o n gi t u di n a l m o ve m e nt a t s u p po r t .

Fig. 12. P u e n te P e r qu a c a qu e n c o n cr e t e o ve r p a s s c r o s s i ng r a i l wa y a t H o s pi t a l n e a r C o nc e p c ió n : (a) l o s s o f s p a n a n d (b) c o l u m n s p u n c h e dt h r o u g h d e c k s l a b .



682


9/19

p u nc h in g t h ro u gh t h e c o nc r et e d e ck o f t h e P u en t e P e rq u ac a -q u en c o nc r et e o ve r p as s c r os s in g t wo r a il w ay t r ac ks o n H i gh -w a y 5 n e a r C o n c e p c i ó n . T h i s b r i d g e h a d s k e w s u p p o r t s .

F i gu r e 1 3a s h o w s t h e l o s s o f s u p p o r t o f a m u l t i - s p a n s t e e lb r id ge n ea r Tu bu l. T he b ri dg e h ad a c on cr et e d ec k s la b a ndc o nc r et e d i ap h ra g ms a n d c o ns i st e d o f e i gh t s i mp l y s u pp o r te ds pa ns . F ig ur e 1 3b s h ow s t he l on gi tu di na l a nd t ra ns ve rs em ov em en ts o f t he s te el b ea ms r el a ti ve t o t he w al l p ie r s up -p or t . T he l os s o f s up po r t w as c au se d w he n t he l on gi tu di na lm o v e m e n t e x c e e d e d 1 5 0 m m o n t h e 3 0 0 m m t h i c k w a l l . A na d ja c e nt t w o- s pa n b r i dg e w i th s i mi l ar d e ta i ls ( s ee F i gs . 1 3ca n d 1 3d ) d id n ot s uf fe r l os s o f s up po r t, p ro ba bl y d ue t o t he

l o n g i t u d i n a l r e s t r a i n t p r o v i d e d b y t h e a b u t m e n t s u p p o r t s .F ig ur e 1 4 sh ows o ne o f t he sp an s o f t he R io N eb uc os e v e n - s p a n c a s t - i n - p l a c e c o n c r e t e b r i d g e o n H i g h w a y 5 s o u t ho f C hi ll an . T he s up er st r uc tu re i s c om po se d o f t he d ec k s la bc a st m on ol it hi c w it h f ou r w eb s i n t he c e nt ra l s pa n r eg io nt ha t w as s up po r te d b y r ol le r b e ar i ng s t o c re at e h in ge s. T hec en tra l sp an r eg io n wa s su pp or te d by so li d c on cr et eh a un c he d c a nt i le v er s o ve r t h e s u pp o r ts . T h e r o ll e r b e ar i ng sw er e d am ag ed a nd o ne c en tr al s pa n c ol la ps ed d ue t o l os s o f s u p p o r t . T h e l o s s o f s u p p o r t w a s d u e t o t h e i n - p l a n e r o t a t i o no f t h e s u p e rs t r u c t ur e c o m b in e d w i t h l o n g it u d i na l m o ve m e n t s.

F i g u r e 1 5 s h o w s t h e l o s s o f s u p p o r t o f a r a i l w a y b r i d g e l o -c a t e d 6 k m s o u t h o f L o n g a v i , r u n n i n g p a r a l l e l t o H i g h w a y 5 .

T h e c o n c r e t e w a l l s u p p o r t s h a d b e e n r e p l a c e d b y l a r g e d i a m -e t er c i rc u la r c o nc r et e -f i l le d s t ee l t u be s a t t h e r i ve r c r os s in g .D am ag e t o t he b ea r in gs a nd l os s o f s up po r t a re e vi de nt i nF ig . 1 5b w it h s ig ns o f l ar ge t ra ns ve rs e a nd l on gi tu di na lm o v e m e n t o f t h e s u p e r s t r u c t u r e r e l a t i v e t o t h e s u p p o r t s .

Failure of shear keys and wing walls

F ig ur e 1 6 s ho ws a b r id ge o n Av en id a A mé r ic o Ve sp uc ioi n S a nt i ag o b u il t i n 2 0 04 . T h is b r id g e s u ff er e d u n se a ti n g a n ds e v e r e d a m a g e t o s h e a r k e y s . T h e s e s h e a r k e y s w e r e i n t e n d e dt o p r ov i de b o th l a te r al r e st r ai n t a n d r e st r ai n t a g ai n st u p li f t.F i gu r e 1 6d i l lu s tr a te s t h e l a ck o f l o ca l iz e d r e st r ai n in g r e in -fo rc em en t i n t he c on cr et e e mb ed me nt r eg io n o f t he s he ar k e ys t h a t s u f f e re d f r o m b r i t t l e c o n c r et e b r e a ko u t f a i l u r e s . T h eC hi le a n b r id ge d es ig n c od e r eq ui re s t ha t s he a r k ey s b e d e-s i gn e d f or t h e s e is m ic d e si g n f or c e, h ow e ve r i t r e qu i re s t h at t h e s h e a r k ey s b e d u ct i le . S e ve r al s h ea r k ey s d i d n o t r e s p on di n a d uc ti le m an ne r, e xh ib it in g s he ar f ai lu re s. C SA S 6 r e-q u i re s t h a t “R e st r ai n er s s h al l b e d e si g ne d t o e n su r e i n te g r it yu n de r e xc e ss i ve f or c es o r m ov em e nt s w i th o ut e xp e r ie n ci n gb r i t t le f a i lu r e s”. F i g u r e 1 6a s h ow s t h e l o ss o f c o nc r et e c o ve r a t t he g ir de r s up po r ts d ur in g t he u ns ea t in g o f t he s pa n. T hi sc o nf i r ms t h e n e e d t o e xc l ud e t h e c o nc r et e c o ve r w h en d e te r-m i n i n g t h e s e a t i n g l e n g t h p r o v i d e d .

Fig. 13. S t e e l b r i d g e s i n T u b u l : (a) l o s s o f s u p p o r t o f m u l t i - s p a n b r i d g e , (b) m o v e m e n t o f s u p e r s t r u c t u r e r e l a t i v e t o w a l l s u p p o r t s o f m u l t i -s p a n b r i d g e , (c) t w o - s p a n b r i d g e , a n d (d ) m i n o r m o v e m e n t a t c e n t r a l p i e r o f t w o - s p a n b r i d g e .

Mitchell et al.


683


10/19

F i gu r e 1 7a s h o ws a t y pi c al t wo - sp a n p r ec a st p r et e ns i on e db r i dg e c r os s in g H i gh w ay 5 . F i gu r e 1 7b s h o w s a c l o s e u p o f t he s ev er e d is tr es s i n a t yp ic al s he ar k ey a t t he m id dl e s up -p o r t . F i g u r e s 1 7c a n d 1 7d s h o w s e v e r e d a m a g e o f w i n g w a l l sa t t h e a b u t m e n t s .

F i g u r e 1 8 s h o w s t h e 2 k m l o n g C h e p e s t e e l r a i l w a y b r i d g ec ro ss in g t he R io B io -B io i n C on ce pc ió n, b ui lt i n 1 88 9 a ndr e t r o f i t t e d i n 2 0 0 5 . T h e c i r c u l a r s t e e l c o l u m n s h a v e t r a n s v e r s e

s he ar k ey s p ro du ce d b y c ut ti ng p or t io ns o f t he t ub ul ar c ol -u m n s s u c h t h a t o n e - h a l f o f t h e t u b e r e m a i n s a t t h e o u t s i d e o f t h e s u pe r st r u ct u re ( s ee F i g. 1 8b) . D u ri n g t h e e a r th q ua k e t h e

s h ea r k ey s w e re s u bj e ct e d t o l a rg e t r an s ve r se f or c es c a us i nga b ri tt le f ra ct ur e o f o ne s he ar k ey ( se e F ig s. 1 8c a nd 1 8d ).T he b ri tt le f ra ct ur e o cc ur r ed a t t he r oo t o f t he 9 0 d eg re e c ut i n t he s te e l t ub e d ue t o s tr es s c on ce nt ra ti on s a t t hi s c r it ic a llocation.

Lack of diaphragms

F ig ur e 1 9 s ho ws t he a bu tm en t s up po r t r eg io n o f a t wo -s p an p r ec a st p r et e ns i on e d g i rd e r b r id g e c r os s in g H i gh wa y 5 ,2 4 k m n o r t h o f R a n c a g u a . D u e t o t h e l a c k o f d i a p h r a g m s b e -t we en t he g ir de rs , t he f or ce r es ul ti ng f ro m t he i mp ac t o f t hes up er st r uc t ur e a nd t he s he ar k ey r es ul te d i n d am ag e t o t heoute r web of the pre cast girder a s shown in Fig. 19b.

A l th o ug h t h e 2 0 08 C h il e a n b r id g e d e si g n c o de ( M in i st e r iod e O b r a s P u b l i c a s 2 0 0 8 ) r e q u i r e s t h a t d i a p h r a g m s b e u s e d a t t he se l oc at io ns , t he l ac k o f d ia ph ra gm s w as t yp ic a l f or t hep r ec a st p r et e ns i on e d, t wo - sp a n o ve r p as s es c r os s in g t h e p r i-v a t e l y o p e r a t e d p o r t i o n o f H i g h w a y 5 . T h e C S A S 6 c o d e r e -q ui r es d i ap h ra g ms a t a b ut m en t s a n d p i er s f or c o nc r et e g i rd e r bridges.

Vertical restrainers

T h e b r id g e c o de o f C h il e r e qu i re d t h at v er t i ca l r e st r ai n er sb e p ro vi de d a t t he s up po r ts t o r es is t a n et u pl if t f or ce c o rr e-s po nd in g t o e q. [ 1] . F ig ur e 2 0a s ho ws a t wo - sp a n p r ec a st

Fig. 14. R i o N e b u c o c a s t - i n - p l a c e c o n c r e t e b r i d g e o n H i g h w a y 5 :(a) e l e v a t i o n v i e w s h o w i n g h i n g e s , (b) l o s s o f s u p p o r t o f c e n t r a ls p a n r e g i o n , a n d (c) d a m a g e d b e a m s e a t a t h i n g e l o c a t i o n s .

Fig. 15. M u l t i - s p a n r a i l w a y b r i d g e n e a r L o n g a v i : (a) o v e r a l l v i e wa n d (b) l o s s o f s u p p o r t .



684


11/19

g ir de r b ri dg e c ro ss in g H ig hw ay 5 , l oc a te d 2 0 k m n or t h o f R a nc a g ua . T h e v er t i ca l r e st r ai n er s a t t h e c e nt r al s u pp o r t c o n-s i st e d o f f ou r l a rg e d i am e te r r e in fo r ci n g b a rs a n ch o re d i n t h ep ie r c ap o r t he a bu tm en t a nd i n t he t hi ck en ed p or t io n o f t hed ec k s la b a t e a ch e nd o f t he s pa ns . T he se r ei nfo rc in g b ar sp a ss e d t h ro u gh a s t ee l t u be a n d u n de r w en t s i gn i fi c an t h o r i-z on ta l d is pl ac e me nt s d ue t o t he l a rg e g ro un d m ov em en ts( se e F ig . 2 0b) . F ig ur e 2 0c s how s t he d is tr es s i n o ne o f t hev e rt i ca l r e st r ai n er s d u e t o t h e l a rg e h o r iz o nt a l d i sp l ac e me n ts .T h e l a rg e l a te r al d i sp l ac e me n ts o f t h e v e r ti c a l r e st r ai n er s r e -

d u ce d t h ei r e f fe c ti ve n e ss . T h e u n bo n de d l e ng t h o f t h es e r e -s tr ai ne rs a nd t he s tr in ge nt s te el m at er ia l r eq ui re me nt sr e su l te d i n a d u ct i le r e sp o ns e a n d s i gn i fi c a nt y i el d in g u n de r t h e l a rg e l a te r al d i sp l ac e me n ts o f t h e b r id g e.

F i g u r e 2 1 s h o w s a p r e c a s t p r e t e n s i o n e d g i r d e r r a m p f o r t h eL la co le n b r id ge i n C on ce pc ió n. T hi s b ri dg e w as i n a r eg io nw it h s of t s oi l a nd w as c on st r uc te d i n 2 00 0. T he b r id ge c ol -u m n s h ow e d s i gn s o f s i gn i fi c an t s e tt l em e nt . T h e l a rg e s h ea r k ey s a t t h e s u p p or t l i mi t ed t h e l a t e ra l m ov e me n t o f t h e g i r d -e rs . T he e xt er n al d ia ph ra g m w as c on ne ct ed t o t he s he a r k eyw it h v er t ic al r es tr ai ne rs a nd d ue t o t he s ig ni f ic an t g ro un dm ot io ns t he re w as a p er m an en t u pl if t a lo ng t he w id th o f t heb r i d g e a t t h i s s u p p o r t .

Reinforced concrete column failures

F i gu r e 2 2a s h ow s t h e c a st - in - pl a ce c o nc r et e b r id g e c r os s -i ng t he R io R ap el i n t he t ow n o f R ap el . T hi s m ul ti -s pa nb r id g e s u ff er e d p a r ti a l u n se a t in g a t o n e a b ut m en t , w i th s i gn so f c on cr et e c r us hi ng a t t he b ea r in g l oc at io ns ( se e F ig . 2 2b).L a te r al m ov em e nt a t t h e b e a ri n gs o f t h e s u sp e nd e d s p an w ase vi de nt a t t he l oc a ti on s o f t he r ol le r b ea r in gs ( se e F ig . 2 2c).T hi s b ri dg e a ls o s uf fe re d s ev er e s he a r d is tr es s a t o ne o f t hec ol um ns c lo se t o t he a bu tm en t a s s how n i n F ig . 2 2d . T hi sc o l u m n w a s s h o r t e r t h a n t h e o t h e r c o l u m n s o f t h e o t h e r s p a n sd u e t o t h e p r e s e n c e o f t h e e m b a n k m e n t a n d h e n c e a t t r a c t e d al a r g e s h e a r f o r c e i n t h e l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n o f t h e b r i d g e .

F ig ur e 2 3 s ho ws t he s he ar f ai lu re t ha t o cc ur r ed i n o ne o f t he c ol um ns n ea r t he e nd s pa n o f t he J ua n P ab lo I I B ri dg ec r o s s i n g t h e R i o B i o - B i o i n C o n c e p c i ó n . T h e r e i n f o r c e d c o n -c r e t e c o l u m n s h a d a c r o s s s e c t i o n o f 1 0 0 0 m m b y 2 0 0 0 m m ,w i th t h e s h e a r f a il u re t a ki n g p l a c e i n t h e s h o r t d i re c ti o n, p a r-a l le l t o t h e l o ng i tu d in a l d i r e c ti o n o f t h e b r id g e. T h e e n d c o l-u mn s w er e s ho rt er t ha n t he i nt er io r b ri dg e c ol um ns a ndr e su l te d i n l a rg er s h ea r f or c es a t t h es e c r i ti c al l o ca t io n s. T h et r an s ve r se r e in fo r ce m en t c o ns i st e d o f 8 m m d i am e te r c o lu m nt i e s , w i t h 9 0 d e g r e e b e n d a n c h o r a g e s a n d s p a c e d a t 3 5 0 m m .

Fig. 16. A ve n i da A m é r ic o Ve s p uc i o b r i d ge i n S a n t ia g o : ( a) l o s s o f s u p p o r t a t a b u t m e n t , ( b) l o s s o f s u p p o r t o f i n t e r i o r s p a n s , (c) f a i l u r e o f u p l if t a n d l a t e r a l r e s t r a i n er s , a n d (d ) c l o s e u p o f f a i l e d r e s t r a i n e r s .

Mitchell et al.


685


12/19

T he l on gi tu di na l r ei nfo rc em en t c on si st ed o f 8 r ow s o f 6–2 5 m m d ia me te r b a rs . I t i s n ot ed t ha t t hi s o ld er b ri dg e w asc on st r uc te d i n 1 96 4 b ef or e p ro pe r d es ig n a nd d et ai li ng r e-q u i r em e n t s f o r r e i n fo r c e d c o n c r et e w e r e i n t r od u c e d .

Buckling and failure of steel braces

F i g u r e 2 4 s h o w s t h e s e v e r e b u c k l i n g o f s t e e l b r a c e s a n d t h ef a i l u r e o f t h e b r a c e c o n n e c t i o n a t t h e w e l d n e a r t h e s o u t h e n do f t h e r a i l w a y b r i d g e c r o s s i n g t h e R i o B i o - B i o i n C o n c e p c i ó n .

Pile failure

F i g u r e 2 5 s h o w s t h e b r i t t l e f r a c t u r e o f a p i l e s u p p o r t i n g t h eb ra ce d f ra me a t t he s ou th e nd o f t he r ai lw ay b r id ge c ro ss in gt h e R i o B i o - B i o i n C o n c e p c i ó n . T h i s f r a c t u r e o c c u r r e d b e l o wg ra de . I t i s n ot e d t ha t t he 2 00 9 A AS HT O g ui de li ne s p er m it f l e x u r a l h i n g i n g i n p i l e b e n t s b e l o w g r a d e i f a p p r o v e d b y t h eo w n er . H o w e v er , b r i t t le f a i lu r e s m u s t b e a vo i d e d .

Collapse of masonry arch bridge

F i g u r e 2 6 s h o w s t h e f a i l u r e o f a h i s t o r i c a l 5 - s p a n m a s o n r ya r ch b r id g e, b u il t i n 1 8 70 , c r os s in g t h e R i o C l a r o p a ra l le l t oH i g h w a y 5 . T h e d e c k c o n s i s t e d o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e .

Repair of bridges

R e p a i r p r o c e d u r e s w e r e c a r r i e d o u t f o r s e v e r a l b r i d g e s w i t hp a r t i a l l o s s o f s u p p o r t . F i g u r e 2 7a s h o w s a t e m p o r a r y s u p p o r t fo r t he L as M er ce de s t wo -s pa n b r id ge c ro ss in g H ig hw ay 5t ha t s uf fe re d p ar t ia l l os s o f s up po r t. L if ti ng d ev ic es w er eu se d a t t he a bu tm en ts t o r ep os it io n t he g ir de rs o n t he ir s up -p o r ts . T h e l a rg e s t ee l s t if fe n ed b r ac ke t s ( F ig s . 2 7b a nd 2 7c)p r o v i d e d s e a t i n g f o r t h e s t e e l b e a m s ( s e e F i g . 2 7 d ) . T h e s e d e -v ic es wo ul d t he n b e u se d fo r j ack in g t he u nd er si de o f t hegirders.

ConclusionsT h e m a gn i tu d e 8 . 8 e a r th q ua k e h a d s i gn i fi c an t h o r iz o nt a l

a nd v er t ic al a c ce le ra ti on s, t og et he r w it h a l on g d ur at io n o f s tr on g g ro un d m ot io n. F or t he r eg io ns v is it ed i t w as c le a r t h a t d a m a g e o c c u r r e d t o b o t h o l d a n d n e w e r b r i d g e s . T h e f o l -l o w i n g c o n c l u s i o n s a r e b a s e d o n o b s e r v a t i o n s o f d a m a g e a n dcollapse:

1 . T he r e w e r e m a n y e x am pl e s o f d a ma ge d ue t o s oi l l i qu ef ac -t i on a n d s e ve r e s e tt l e me n t o f s u pp o r ts a n d a p p ro a ch s p an s .T h e 2 0 0 9 A A S HT O g u i de l i ne s p r ov i de u s ef u l p r ov i si o nso n t h e a s se s sm e n t f o r l i qu e fa c t io n p o t en t ia l a n d f or t h e d e -s i gn w h e n l i qu e fa c t i on i s p o ss i bl e . T h e p r ov i s io n s o f t h e se

Fig. 17. T yp i c a l t w o - s p an b r i dg e c r o ss i n g H i g h w ay 5 : (a) s h e a r k e y f a i l u r e , ( b) c l o s e u p o f s h e a r k e y f a i l u r e , (c) s h e a r a n d f l e x u r a l f a i l u r e o f w i n g w a l l , a n d (d ) t r a n s v e r s e m o v e m e n t o f g i r d e r a n d f a i l u r e o f w i n g w a l l .



686


13/19


14/19

Fig. 20. Ve r t i c a l r e s t r a i ne r s u s e d f o r t w o -s p a n p r e c a s t p r e t e n s io n e d g i r d e r b r i d g e , l o c a t e d 2 0 k m n o r t h o f R a n c ag u a , c r o s s i ng H i g hw a y 5 :(a) a t c e n t r a l s u p p o r t , (b) a t a b u t m e n t , a n d (c) i n c l in e d r e s tr a i n er .

Fig. 21. P r e ca s t g i r de r r a m p s t r u c t u re f or t h e L l a c ol e n b r i d ge i n C o n ce p c i ón : (a) l a r g e s h e a r k e y a n d (b) u p l i f t o f e x t e r i o r d i a p h r a g m a t l o c a -t i o n o f v e r t i c a l r e s t r a i n e r s .



688


15/19

Fig. 22. M u l t i - s p a n b r i d g e c r o s s i n g t h e R i o R a p e l : (a) o v e r a l l v i e w , (b) p a r t i a l u n s e a t i n g a t a b u t m e n t , ( c) l a t e r a l m o v e m e n t a t r o l l e r b e a r i n g sa t e x p a n s i o n j o i n t , a n d (d ) s e v e r e s h e a r d i s t r e s s o f c o l u m n n e a r a b u t m e n t .

Fig. 23. S h e a r f a i l u r e o f c o l u m n n e a r n o r t h a b u t m e n t o f t h e J u a n P a b l o I I B r i d g e c r o s s i n g t h e R i o B i o - B i o i n C o n c e p c i ó n : (a) o v e r a l l v i e wa n d (b) s h e a r f a i l u r e .

Mitchell et al.


689


16/19

Fig. 24. F a i l u r e o f s t e e l b r a c e s n e a r s o u t h e n d o f t h e C h e p e r a i l w a y b r i d g e c r o s s i n g t h e R i o B i o - B i o i n C o n c e p c i ó n : ( a) s e v e r e b u c k l i n g a n d(b) f a i l u r e o f b r a c e c o n n e c t i o n .

Fig. 25. S h e ar f a il u re o f s t ee l p i le n e ar t h e s o ut h e n d o f t h e C he p e r a il w ay b r id ge c r os s in g t h e R i o B i o - Bi o i n C on c ep c ió n.

Fig. 26. F a i l u r e o f m a s o n r y a r c h b r i d g e c r o s s i n g t h e R i o C l a r o .



690


17/19

g ui de l in es s ho ul d b e c on s id e re d w h en d ev el op i ng t he f u-t u r e s e i s m i c d e s i g n p r o v i s i o n s o f t h e C S A S 6 c o d e .

2 . F ai l ur es d ue t o l os s o f s u p po r t o cc u rr e d i n m ul ti -s pa n s im -p ly s u pp o r te d b r i dg e s. O l d er m u l ti - s pa n b r i dg e s w e re m o r es us ce pt ib le d ue t o t he s ho rt s ea ti ng l en gt hs . Tw o- sp ann ew er b ri dg es w it h s ke w s up po rt s s uf fe re d f ro m l ar ge

t r an s ve r se m o ve m en t s a t t h e a b u tm e nt s , w i t h s o me b r i dg e sex pe ri en ci ng l os s o f s up po rt o f t he o ut er g ir de rs . I n t heC h i l e a n e a r t h q u a k e , l o s s o f s u p p o r t w a s a f f e c t e d b y t h e s e -v er i ty a n d d u ra t io n o f t he g r ou n d m ot i on , t he p re se nc e o f s of t s oi l, t he g eo m et r ic a l i r re g ul a ri ty d ue t o s ke we d s up -p or t s, a n d t h e v er y s ho r t s up p or t l e ng t hs i n o ld e r b r id ge s .U n l i k e t h e C h i l e a n c o d e , t h e C S A S 6 c o d e i s m o r e c o n s e r -v a t i v e w i t h t h e e x c l u s i o n o f t h e c o n c r e t e c o v e r w h e n c a l c u -l at in g t he m in im um s up po rt l en gt h. A n e xa mi na ti on o f s ev er al i ns ta n ce s o f l os s o f s up p or t e m ph a si ze d t he f ac t t ha t t h e c ov er i s i ne f fe c ti ve i n p ro vi di n g s up po r t l e ng t h.T he p r ov is io n s i n C SA S 6 s ho u ld b e r e- ex a mi ne d i n t hel i g h t o f t h e s e e x p e r i e n c e s , p a r t i c u l a r l y f o r s k e w b r i d g e s .

3 . F a i lu r e s o f s h e a r k e y s , w i n g w a l l s, a n d r e s t ra i n e rs i l l u s t r at et h e i m p o r t a n c e o f c a r e f u l l y d e s i g n i n g t h e s e c r i t i c a l c o m p o -n e nt s . T h e p r op e r p e rf or m an c e o f t h es e c o mp o ne n ts i s e s -s e nt ia l f or e m er ge n cy -r o ut e b r id ge s . T h e C h il e an b r id ged es ig n c od e r eq ui re s t ha t s he a r k ey s b e d es ig ne d t o b ed uc ti le . I t i s n ot ed t ha t m an y n ew er b ri dg es h ad b ri tt le

f ai l ur e s o f t h e s he a r k ey s i n di c at i ng t h at t h is r e qu i re m en t w as n o t m e t . T h e c u r r en t C SA S 6 c o de h a s r e q ui r em e nt sf or l o ng i tu d in a l r e st ra i ne r s b u t d o es n o t g i ve s pe c if i c r e -q ui re me nt s fo r t he d es ig n o f s he ar k ey s. S ec ti on 4 .1 4 o f t h e 2 0 09 A A SH T O g u id e li n es r e qu i re t h at s h ea r k ey s b ee va l ua t ed t o d e te r mi n e t h e a n ti c ip a te d s h ea r o ve r st re n gt hr eq ui re d t o d es ig n t he a dj ac en t c a pa ci ty -p ro te ct ed e le -m e n t s. T h e e x pe r i e nc e f r o m t h i s e a r t h qu a k e, t o g et h e r w i t ht h e n e w p r ov i si on s o f t h e A A SH T O g u id e li n es w i ll i n f lu -e n ce t h e d ev el o pm e nt o f n e w p ro vi si o ns f or t h e n ex t e d i-t i o n o f C S A S 6 .

4 . T he r e w e re s ev er a l e x a mp l es o f d am a ge t o o ut e r g i r de r s i nb r id ge s w it ho u t d i ap h ra g ms d u e t o i mp a ct f or ce s a ga i ns t

Fig. 27. R e po s i t io n i ng o f g i r de r s o f L a s M e r c ed e s t w o - s p an b r i d ge s : ( a) t e m p o r a r y s u p p o r t , (b) p l a c e m e n t o f s t e e l l i f t i n g b r a c k e t s , ( c) s t i f -f e n e d s t e e l l i f t i n g b r a c k e t , a n d (d ) s t e e l b e a m s f o r l i f t i n g c o n c r e t e g i r d e r s .

Mitchell et al.


691


18/19

s he a r k ey s. C SA S 6 r e qu i re s d i ap h ra gm s a t a b ut me n ts i nc o n c r e t e g i r d e r b r i d g e s . T h e C h i l e a n b r i d g e d e s i g n c o d e r e -q u ir e s d i ap h r ag m s a t s u p po r t s i n g i r de r b r i dg e s. H o we ve r ,t he t wo - sp a n g ir d er o ve r pa s se s c r os si ng H i gh wa y 5 t y pi -c a l l y d i d n o t h a v e d i a p h r a g m s . T h e s e b r i d g e s w e r e b u i l t i n2000–2 0 0 1 a s p a r t o f a p u b l i c–private partnership contract.

5 . T h er e w e r e s om e e xa m pl e s o f s h ea r f ai l ur e s o f c o lu m ns o f

o l d e r b r i d g e s d u e t o i n a d e q u a t e s h e a r a n d c o n f i n e m e n t r e -i n fo r c em e n t . T h e C S A S 6 - 06 c o d e p r ov i d e s r e q u i r e me n t sf o r t h e e v a l u a t i o n o f e x i s t i n g b r i d g e s i n S e c t i o n 4 . 1 1 . T h i se va l ua t io n r e qu i re s t h at t h e r a ti o o f t h e s e is mi c f or c e e f -fect, S e, a s su m in g a l l m e mb e rs r e ma i n e l as t ic d i vi d ed b yt h e m e mb e r r e se r ve c a pa c it y, C , b e d et er mi ne d fo r t hes ub s tr u c tu r e e l em e nt s . T h is r a ti o g i ve s t h e r e qu i re d r e -s p o ns e m o d i fi c a t io n f a c to r , Rreq. I n d et er mi ni ng t he r e-s p o ns e m o d i fi c a t i on f a c to r , Rprov, fo r t he e xi st in g b ri dg et he c od e r eq ui re s t ha t t he c on se qu en ce s o f t he d et ai li nga n d p o s s i b l e b r i t t l e f a i l u r e m o d e s ( i n c l u d i n g s h e a r f a i l u r e s )b e e v a l u a t e d . I f Rprov i s l e s s t h a n Rreq t h e n r e t r o f i t m u s t b econsidered.

6 . A b r it t le s he a r f a il u re o f a s te e l p i l e i n a c r it i ca l r a i lw ay

b ri dg e w as o bs er ve d j us t b el ow g ra de , e mp ha si zi ng t hen e ed t o c a re f ul l y d e t a i l f o r d u ct i le r e sp o ns e o r t o p r ov i des u ff i ci e nt s t re n gt h i n t h e f ou n da t io n s. F o r p i le b e nt s , t h e2 0 09 A A SH T O g u id e li n es p e r mi t f l e xu r al h i ng i ng b e lo wg r ad e i f a p pr ov e d b y t h e o wn e r. I t i s n o te d h ow e ve r , t h a t b r i t t l e s h e a r f a i l u r e s m u s t b e a v o i d e d .

7 . B r it t le f ai l ur e s w e r e a l s o o b s er ve d a t w e ld s a n d b o lt e d c o n -n e c t i o n s o f b r a c i n g m e m b e r s i n a r a i l w a y b r i d g e . T h e r e i s an e ed t o p r ev en t b r it t le f a il u re s i n c o nn e ct i on s b y d e si g ni n gt he m a s “capacity-protected” e le me nt s a s r eq ui re d i n t heC S A S 6 c o d e .

8 . I t i s e xp ec te d, i n l ig ht o f t he l ev el o f g ro un d m ot io ns r e-c o r d e d , t h a t b o t h t h e z o n a l a c c e l e r a t i o n l e v e l s a s w e l l a st h e s o il a m pl i fi c at i on f ac t or s w i ll b e r e vi s ed i n t h e C h i-

l e a n b r i d g e d e s i g n c o d e . Acknowledgements

T h e a u th o rs g r at e fu l ly a ck n ow le d ge t h e f i na n ci a l s u pp o r t p r ov i de d b y t h e N a tu r al S c ie n ce s a n d E n gi n ee r in g R e se a rc hC ou nc il o f C an ad a ( NS ER C) f or t he C an a di an S ei sm ic R e-s ea rc h N et wo rk ( CS RN ) a nd t he C an ad ia n A ss oc i at io n o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g ( C A E E ) .

References

AASHO. 1 9 50 . AASHO stand ar d sp ecif icatio ns f or h ig hway b r idg es.Amer ican Asso ciatio n o f State Hig h way Of f icials, Wash in g to n , D.C.

A A S HT O . 2 0 0 4. A A S HT O L R F D b r i d g e d e s ig n s p e ci f i c a t io n s . 3 r de d . A m e r ic a n A s s oc i a t i on o f S t a te H i g hw a y a n d T r an s p or t a t i onOf f icials, Wash in g to n , D.C.

A A S HT O . 2 0 09 . A A S HT O g u i de s p e c if i c a t io n s f or L R F D s e i s m i c

b ri dg e d es ig n. F ir st E di ti on , A me r ic a n A ss oc ia ti on o f S ta teH i g hw a y a n d T r an s p or t a t i on O f f i c ia l s , Wa s h i ng t o n, D . C .

A n d e r s o n , D . L . , M i t c h e l l , D . , a n d T i n a w i , R . G . 1 9 9 6 . P e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e b r i d g e s d u r i n g t h e H y o g o - k e n N a n b u ( K o b e ) e a r t h q u a k eo n J a nu a r y 1 7, 1 99 5. C a na d ia n J o ur n al o f C i vi l E ng i ne e ri n g,23( 3 ) : 7 1 4–7 2 6 . d o i:1 0 .1 1 39 /l9 6 - 8 8 4.

B a rr i en t os , S . 2 01 0 . I nf or m e T ec n ic o A c tu a li z ad o 2 7 M a yo 2 0 10T e r re m o to C a u qu e n es 2 7 F e b re r o 2 0 10 . S e r vi c i o S i s mo l o gi c o ,U n i ve r s i da d D e C h i le , S a n t ia g o .

B or o sc he k , R . , S o to , P. , L e on , R . , a n d C o mt e , D . 2 0 10 . I n fo r mep r e l i m i n a r y , R E D N a c i o n a l d e a c e l e r o g r a f o s , t e r r e m o t o c e n t r o s u r C h i l e , 2 7 d e F e b r e r o 2 0 1 0 . I n f o r m e P r e l i m i n a r N o . 3 , F a c u l t a d d eC i e nc i a s F i s i ca s Y M a t e ma t i c a s, U n i ve r s id a d d e C h i le .

B r u ne a u , M . , W i l so n , J . C . , a n d T r e m b la y , R . 1 9 96 . P e r fo r m an c e o f

s t ee l b r id g es d ur i ng t h e 1 9 95 H yo go -k e n N a nb u ( K ob e , J a pa n )e a r t h qu a k e. C a n a di a n J o u r na l o f C i v i l E n g in e e r in g , 23( 3) : 6 7 8–7 1 3 . d o i:1 0 .1 1 39 /l9 6 - 8 8 3.

C A N/ C SA . 2 0 06 . C A N/ C SA S 6 -0 6 C a na d ia n H i gh wa y B r id g eD e s i gn C o de . C a n a di a n S t a nd a r ds A s s oc i a t io n , M i s s is s a u ga , O n t .

Jen n in g s, P.C. ( Editor ) . 1 97 1. E ng in ee ri ng fe at ur es o f t he S anF e rn a nd o e a r th qu a ke , 9 F e br u ar y 1 97 1 , R e po r t E ER L 7 1 -0 2,E ar th q u ak e E n g in eer in g Resear ch L ab o r ato r y , Calif o r n ia I n stitu teo f T ech n olo g y, Pasad en a.

M i n is t e r i o d e O b r as P u bl i c a s . 2 0 0 2 . M a n ua l d e c a r r e te r a s , V o l um e nN ° 3 , I n s t r u c c i o n e s y c r i t e r i o s d e d i s e n o , C a p i t u l o 3 . 1 0 0 0 , P u e n t e sy e st r uc t ur as a fi ne s, D ir ec c io n G en er al D e O br as P ub li c as ,M i n i s t e r i o D e O b r a s P u b l i c a s , C h i l e .

M i n is t e r i o d e O b r as P u bl i c a s . 2 0 0 8 . M a n ua l d e c a r r e te r a s , V o l um e nN ° 3 , I n s t r u c c i o n e s y c r i t e r i o s d e d i s e n o , C a p i t u l o 3 . 1 0 0 0 , P u e n t e sy e st r uc t ur as a fi ne s, D ir ec c io n G en er al D e O br as P ub li c as ,M i n i s t e r i o D e O b r a s P u b l i c a s , C h i l e .

M i t c h e l l , D . , a n d T i n a w i , R . 1 9 9 2 . S t r u c t u r a l d a m a g e d u e t o t h e A p r i l2 2 , 1 99 1 , C o st a R i ca n e a r th qu ak e . C a na d ia n J o ur n al o f C i vi lE n g in eer in g , 19 ( 4 ) : 5 8 6–6 0 5 . d o i:1 0 .1 13 9 /l9 2 - 0 6 9.

U S G S . 2 0 1 0 . U n i t e d S t a t e s G e o l o g i c a l S u r v e y . A v a i l a b l e f r o m h t t p : / / e a r t h q u a k e . u s g s . go v / e a r t h q u a ke s / e q i n t h e n e w s / 20 1 0 / u s 2 0 1 0t f a n / # d etails.

Can. J. Civ. Eng. Vol. , 201


692 40 3


19/19

C o p y r i g h t o f C a n a d i a n J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g i s t h e p r o p e r t y o f C a n a d i a n S c i e n c e

P u b l i s h i n g a n d i t s c o n t e n t m a y n o t b e c o p i e d o r e m a i l e d t o m u l t i p l e s i t e s o r p o s t e d t o a

l i s t s e r v w i t h o u t t h e c o p y r i g h t h o l d e r ' s e x p r e s s w r i t t e n p e r m i s s i o n . H o w e v e r , u s e r s m a y p r i n t ,

d o w n l o a d , o r e m a i l a r t i c l e s f o r i n d i v i d u a l u s e .

Documents

Damage to bridges due to the 27 February 2010 Chile earthquake