Incorporation of Foundation Deformations in AASHTO LRFD Bridge Design Process

154 Pages·2016·4.5 MB·English

Incorporation of Foundation Deformations
in AASHTO LRFD Bridge Design Process
First Edition
A product of the SHRP2 solution, Service Limit State Design
for Bridges
February 08, 2016
The second Strategic Highway Research Program (SHRP2) is a national partnership of key 
transportation  organizations:  the  Federal  Highway  Administration  (FHWA),  American 
Association  of  State  Highway  and  Transportation  Officials  (AASHTO),  and  Transportation 
Research Board (TRB). Together, these partners are deploying products that will help the 
transportation community enhance the productivity, boost the efficiency, increase the safety, 
and improve the reliability of the nation’s highway system. 
This report is a work product of the SHRP2 Solution, Service Limit State Design for Bridges 
(R19B). The product leads are Matthew DeMarco at FHWA, [email protected], and 
Patricia  Bush  at  AASHTO,  [email protected].  This  report  was  co‐authored  by  the  subject 
matter experts, Dr. Naresh C. Samtani of NCS GeoResources, LLC, and Dr. John M. Kulicki of 
Modjeski  and  Masters,  Inc.,  in  consultation  with  Kelley  Severns,  National  Bridge  Project 
Manager, CH2M HILL.  
All rights reserved.
Contents
Chapter  Page 
Definitions .............................................................................................................................. vii 
Chapter 1.  Introduction ...................................................................................................... 1 
Chapter 2.  Bridge Foundation Types and Deformations ..................................................... 3 
Chapter 3.  Consideration  of  Foundation  Deformations  in  AASHTO  Bridge  Design 
Specifications .................................................................................................... 5 
3.1  AASHTO LRFD .......................................................................................................... 5 
3.2  AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges (AASHTO, 2002) ................ 9 
3.3  General Observations ........................................................................................... 10 
Chapter 4.  Effect of Foundation Deformations on Bridge Structures and Uncertainty ...... 11 
Chapter 5.  Tolerable Foundation Deformation Criteria .................................................... 15 
5.1  Tolerable Vertical Deformation Criteria ............................................................... 15 
5.2  Tolerable Horizontal Deformation Criteria ........................................................... 18 
5.3  Perspective on Tolerable Deformations ............................................................... 18 
Chapter 6.  Construction‐Point Concept ............................................................................ 21 
6.1  Vertical Deformation (Settlement) ....................................................................... 21 
6.2  Horizontal Deformations ...................................................................................... 23 
Chapter 7.  Reliability of Predicted Foundation Deformations .......................................... 25 
Chapter 8.  Calibration Procedures ................................................................................... 27 
8.1  Relevant AASHTO LRFD Articles for Foundation Deformations ........................... 27 
8.2  Overarching Characteristics to Be Considered ..................................................... 28 
8.2.1  Load‐Driven versus Non‐Load‐Driven Limit States ................................... 28 
8.2.2  Reversible versus Irreversible Limit States ............................................... 28 
8.2.3  Consequences  of  Exceeding  Deformation‐Related  Limit  States  and 
Target Reliability Indices ........................................................................... 29 
8.3  Calculation Models ............................................................................................... 29 
8.3.1  Incorporation of Load‐deformation (Q‐δ) Characteristics in AASHTO 
LRFD Framework ....................................................................................... 30 
8.3.2  Consideration of Bias Factor in Calibration of Deformations ................... 33 
8.3.3  Application of Q‐δ Curves in the AASHTO LRFD Framework .................... 34 
8.3.4  Deterioration of Foundations and Wall Elements .................................... 36 
  iii
8.3.5  Determination of Load Factor for Deformations ...................................... 36 
Chapter 9.  Calibration Implementation ............................................................................ 39 
9.1  General .................................................................................................................. 39 
9.2  Steps for Calibration ............................................................................................. 41 
9.2.1  Step 1: Formulate the Limit State Functions and Identify Basic 
Variables .................................................................................................... 41 
9.2.2  Step 2: Identify and Select Representative Structural Types and Design 
Cases ......................................................................................................... 41 
9.2.3  Step 3: Determine Load and Resistance Parameters fort the Selected 
Design Cases .............................................................................................. 41 
9.2.4  Step 4: Develop Statistical Models for Load and Resistance .................... 41 
9.2.5  Step 5: Apply the Reliability Analysis Procedure ...................................... 58 
9.2.6  Step 6: Review the Results and Selection of Load Factor for 
Settlement,   .......................................................................................... 62 
SE
9.2.7  Step 7: Select Value of   ......................................................................... 63 
SE
Chapter 10.  Meaning and Effect of   in Bridge Design Process ......................................... 65 
SE
Chapter 11.  Incorporating Values of   in AASHTO LRFD ................................................... 67 
SE
Chapter 12.  The “S‐0” Concept .......................................................................................... 69 
f
12.1  Foundations Proportioned for Equal Settlement ................................................. 73 
Chapter 13.  Flow Chart to Consider Foundation Deformations in Bridge Design Process ... 75 
Chapter 14.  Proposed Modifications to AASHTO LRFD Bridge Design Specifications .......... 79 
Chapter 15.  Application of Calibration Procedures ............................................................. 81 
Chapter 16.  Summary ........................................................................................................ 83 
Chapter 17.  References ...................................................................................................... 85 
Appendices 
A  Conventions 
B  Application of   Load Factor 
SE
C  Examples (Developed by AECOM) 
D  Proposed Modifications to Section 3 of AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 
E  Proposed Modifications to Section 10 of AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 

  iv
List of Tables 
5‐1  Tolerable Movement Criteria for Highway Bridges (AASHTO LRFD)  
5‐2  Tolerable Movement Criteria for Highway Bridges (WSDOT, 2012)  
8‐1  Summary  of  AASHTO  LRFD  Articles  for  Estimation  of  Vertical  and  Horizontal 
Deformation of Structural Foundations 
9‐1  Basic Framework for Calibration of Deformations 
9‐2  Data for Measured and Predicted (Calculated) Settlements Shown in Figure 9‐1 Based on 
Gifford, et al. (1987)  
9‐3  Accuracy (X=S /S ) Values Based on Data Shown in Table 9‐2 
P M
9‐4  Statistics of Accuracy, X, Values Based on Data Shown in Table 9‐3 
9‐5  Correlated Statistics of Accuracy (X) for Lognormal PDFs 
9‐6  Lognormal of Accuracy Values [ln(X)] Based on Data Shown in Table 9‐3 
9‐7  Statistics of ln(X), Values Based on Data Shown in Table 9‐6 
9‐8  Values of β and Corresponding P  Based on Normally Distributed Data 
e
9‐9  Computed Values of   for Various Methods to Estimate Immediate Settlement of 
SE
Spread Footings on Cohesionless Soils 
9‐10  Proposed  Values  of     for  Various  Methods  to  Estimate  Immediate  Settlement  of 
SE
Spread Footings on Cohesionless Soils 
9‐11  Target Reliability Index   for Various Structural Limit States (Kulicki, et al., 2015) 
SE
11‐1  Load Factors for SE Loads 
List of Figures 

2‐1  Illustration of major components of a bridge structure (Nielson, 2005)  
2‐2  Geometry of a typical shallow foundation 
2‐3  Common configurations of deep foundations, (a) group configuration, (b) single element 
configuration 
3‐1  Table 3.4.1‐1 of AASHTO LRFD ‐ Load Combinations and Load Factors 
3‐2  Table 3.4.1‐2 of AASHTO LRFD ‐ Load Factors for Permanent Load,   
P
3‐3  Table 3.4.1‐3 of AASHTO LRFD ‐ Load Factors for Permanent Loads Due to Superimposed 
Deformations,   
P
3‐4  Key to AASHTO LRFD Loads and Load Designations 
4‐1  Idealized Vertical Deformation (Settlement) Patterns and Terminology 
4‐2  Concept of total settlement, S, differential settlement,  , and angular distortion, A , in 
d d
bridges 
  v
6‐1  Construction‐point concept for a bridge pier  
6‐2  Factored Angular distortion in bridges based on construction‐point concept 
8‐1  Basic AASHTO LRFD framework for loads and resistances 
8‐2  Incorporation of Q‐δ mechanism into the basic AASHTO LRFD framework 
8‐3  Significant points of interest on the mean Q‐δ curve 
8‐4  Range and distribution along a Q‐δ curve 
8‐5  Relationship of measured mean with theoretical prediction 
8‐6  Relationship  of  deterministic  value  of  tolerable  deformation,  δ ,  and  a  probability 
T
distribution function for predicted deformation, δ  
P
8‐7  PEC for evaluation of load factor for a target probability of exceedance (P ) at the 
eT
applicable SLS combination 
9‐1  Comparison of measured and calculated (predicted) settlements based on service load 
data in Table 9‐2 
9‐2  Schmertmann method: (a) histograms for accuracy (X), and (b) plot of standard normal 
variable (z) as a function of the X 
9‐3  Hough method: (a) histograms for accuracy (X), and (b) plot of standard normal variable 
(z) as a function of the X 
9‐4  D’Appolonia method: (a) histograms for accuracy (X), and (b) plot of standard normal 
variable (z) as a function of the X 
9‐5  Peck and Bazarra method: (a) histograms for accuracy (X), and (b) plot of standard 
normal variable (z) as a function of the X 
9‐6  Burland and Burbridge method: (a) histograms for accuracy (X), and (b) plot of standard 
normal variable (z) as a function of the X 
9‐7  Cumulative Distribution Functions (CDFs) for various analytical methods for estimation 
of immediate settlement of spread footings  
9‐8  PEC for Schmertmann method 
9‐9  PEC for Hough method 
9‐10  PEC for D’Appolonia method 
9‐11  PEC for Peck and Bazarra method 
9‐12  PEC for Burland and Burbridge method 
9‐13  Relationship between β and P  for the case of a single load and single resistance 
e
9‐14  Evaluation of  based on current and target reliability indices 
SE 
12‐1  Estimation of maximum factored angular distortion in bridges – Mode 1 and Mode 2 
12‐2  Factored Angular distortion in bridges based on construction‐point concept 
13‐1  Consideration of foundation deformation in bridge design process 

  vi
Definitions
A   Angular Distortion 
d
A , A , A , A   Angular distortions for a four‐span bridge 
d1 d2 d3 d4
A   Factored Angular Distortion 
df
A , A , A ,   Mode 1factored angular distortions for a four‐span bridge 
df1‐1 df2‐1 df3‐1  
   A  
df4‐1 
A , A , A ,   Mode 2factored angular distortions for a four‐span bridge 
df1‐2 df2‐2 df3‐2  
   A  
df4‐2 
AASHTO  American Association of State Highway and Transportation Officials  
ASD  Allowable Stress Design 
B  Least lateral plan dimension (width) of spread footing 
f
CDF  Cumulative Distribution Function 
CV  Coefficient of Variation 
D  Depth to bottom of spread footing measured from finished grade 
f
DL  Dead Load 
E  Elastic Modulus 
f      Frequency 
F      Point on Q‐ curve representing strength limit state 
FHWA  Federal Highway Administration  
g  Limit state function 
I  Moment of Inertia 
IAP  Implementation Assistance Program 
in.  inch 
LFD  Load Factor Design 
L   Span Length 
S
L , L , L , L   Span lengths for a four‐span bridge 
S1 S2 S3 S4
L  Longer lateral plan dimension (length) of spread footing 
f
LL  Live Load 
ln (or LN)  Natural logarithm 
ln(X)  Natural logarithm of Accuracy, X, values 
LRFD  Load and Resistance Factor Design 
MC  Monte Carlo 
mm  Millimeter 
MSE  Mechanically Stabilized Earth 
M   Bending moment induced by a differential settlement,   
 d
N      Point on Q‐ curve representing nominal resistance level 
  vii
DEFINITIONS, Continued 
NCHRP  National Cooperative Highway Research Program 
PDF  Probability Distribution Function 
P  Lateral soil reaction on a deep foundation 
P    Probability of Exceedance 
e
PEC  Probability Exceedance Chart 
P    Target Probability of Exceedance 
eT
Q      Load (or force effect) 
Q       Mean load 
mean
Q       Nominal load 
n
R      Resistance 
R       Mean resistance 
mean
R       Nominal resistance 
n
S  Foundation settlement (vertical deformation); also refers to point on Q‐ 
curve representing service limit state 
S , S , S , S , S   Support settlements for a four‐span bridge 
A1 P1 P2 P2 A2
SE  Force effect due to settlement 
S  Factored total relevant settlement 
f
S , S , S ,   Factored support settlements for a four‐span bridge 
f‐A1 f‐P1 f‐P2
   S , S    
f‐P2 f‐A2
S   Measured Settlement 
M
S   Predicted (calculated) Settlement 
P
S  Unfactored predicted settlement 
t
S   Tolerable Settlement 
T
S   Unfactored total relevant settlement 
tr
S , S , S , S   Settlements corresponding to vertical loads W, X, Y and Z 
W X Y Z
SCOBS  AASHTO Subcommittee on Bridges and Structures 
SHRP2  Second Strategic Highway Research Program  
SLS    Service Limit State 
SWM    Strain Wedge Method 
TRB  Transportation Research Board  
y  Lateral deflection of pile 
W  Vertical load due to foundation 
X  Accuracy (X =δ /δ  or X = S /S ); or vertical load of substructure 
P T P M
Y  Vertical load due to superstructure 
z  Standard normal variable (variate) 
Z  Vertical load due to wearing surface 
 Reliability Index 
  Target Reliability Index 
T
  viii
DEFINITIONS, Continued 
      Load factor 
       Load factor for SE load; Deformation Load Factor 
SE
 Deformation 
 Factored Deformation  
f 
δ Deformation at nominal force effect, Q
S  n 
δ Deformation at factored force effect, Q  = (Q ) 
F  F n
δ Deformation at load corresponding to nominal resistance, R  
N  n
δ Predicted deformation (force effect) 
P 
δ     Tolerable deformation (resistance) 
T
δ , δ , δ   Various tolerable deformations 
T1 T2 T3 
  Differential settlement 
d
Δ , Δ , Δ , Δ   Differential settlements for a four‐span bridge 
d1 d2 d3 d4 
  Differential settlement over 100 ft with pier or abutments and differential 
d100’
settlement between piers 
  Factored Differential settlement 
f
Δ , Δ , Δ , Δ  Mode 1 factored differential settlements for a four‐span bridge 
f1‐1  f2‐1 f3‐1 f4‐1  
Δ , Δ , Δ , Δ  Mode 2 factored differential settlements for a four‐span bridge 
f2‐1  f2‐2 f3‐2 f4‐2  
λ       Bias factor for load 
Q
λ       Bias factor for resistance 
R
 Mean 
μ   Arithmetic mean of ln(X) values 
LNA
μ   Correlated mean value 
LNC
 Standard deviation 
   Arithmetic standard deviation of ln(X) values 
LNA
   Correlated standard deviation 
LNC
φ      Resistance factor 

  ix