DYNAMIC LOAD EFFECTS OF TRACKED AND WHEELED MILITARY VEHICLES FROM BRIDGE LOAD TESTING

Abstract

The perceived and observed differences in the dynamic behaviour between wheeled and tracked military vehicles should be accounted for in the application of appropriate dynamic load effect values for bridge design and assessment. No current bridge design or assessment code provides guidance on methods to differentiate between the dynamic loading effects of wheeled and tracked vehicles. Depending on the code or guideline being applied for analysis, these dynamic loading effect values may be represented and referred to as Dynamic Load Allowance (DLA), Dynamic Amplification Factor (DAF), or Dynamic Impact Factors (IM). The North Atlantic Treaty Organization (NATO) utilizes a Military Load Classification (MLC) System to compare the load effects of vehicles to the capacity of bridges in order to determine the feasibility of crossing. The MLC System uses the same dynamic loading effects values, for both wheeled and tracked vehicles, which can significantly limit the mobility of tracked vehicles, particularly main battle tanks, on military operations. Bridge load testing was carried out on a continuous two-span steel girder composite bridge to compare the dynamic loading effects between three wheeled military vehicles and Canada’s main battle tank, the Leopard 2. Ninety different load tests were completed on a fully instrumented bridge. The dynamic effects were then used to calculate appropriate DLA values for individual vehicles and per vehicle category (wheeled and tracked) using various combinations of recommended design code reliability indexes and live-load factors. Results indicate that it may be appropriate to reduce the DLA used for military tracked vehicles by one-third of that used for military wheeled vehicle analysis. A review of several nations’ DLA values was carried out, and application of a reduced DLA for tracked vehicles could result in an increase to predicted bridge capacity of 5% to 13% for main battle tanks. Surface irregularities are seldom accounted for in bridge design or assessment codes, yet research indicates a significant increase in dynamic effects can occur when a vehicle travels over an obstacle. These obstacles or surface irregularities could be encountered during military conflict or post natural disaster situations. A comprehensive test program was carried with the Leopard 2 in order to examine the dynamic loading increase when it travelled over obstacles, and a marked increase in the tank’s dynamic loading effects was noted. A similar yet reduced test program was carried out using wheeled vehicles, and those results demonstrated a considerable increase in dynamic loading effects when compared to the Leopard 2. In some instances, the dynamic loading effects generated by wheeled vehicles were approximately five times that of the Leopard 2. All vehicles also carried out a series of tests in which they decelerated from various speeds to a full stop as rapidly as possible. Design codes generally apply a braking force separately from the DLA, and longitudinally at or near the bridge deck. However, this research indicates an increase in dynamic effects when braking occurs, particularly over short distances. Due to the different dynamic behaviour between wheeled and tracked vehicles, the application of DLA during bridge capacity analysis should be differentiated between vehicle types. A reduced DLA for tracked vehicles has the possibility to significantly increase the mobility of military forces particularly when combined with appropriate live-load factors for main battle tanks.

La différence entre l’effet dynamique des véhicules militaires à roues et à chenilles doit être prise en compte lors de l’application des coefficients de majoration dynamique pour la conception et l’évaluation de ponts. Aucun code actuel sur la conception ou l’évaluation de ponts ne fournit des directives permettant de faire la distinction entre les véhicules à roues et chenilles. Selon le code ou la norme utilisée aux fins d’analyse, différentes terminologies sont utilisées pour référé à l’effet dynamique des charges : coefficient de majoration dynamique, coefficient d’amplification dynamique ou encore, facteur d’impact dynamique. L’Organisation du traité de l’Atlantique Nord (OTAN) utilise un système de classification militaire des charges (CMC) pour comparer l’effet des charges des véhicules à la capacité du pont afin de déterminer la possibilité de franchir le pont. Le système CMC utilise les mêmes valeurs de coefficient de majoration dynamique pour les véhicules à roues et à chenilles, ce qui peut avoir une incidence considérable et limiter la mobilité des véhicules à chenilles, en particulier pour les chars de combat dans le cadre d’opérations militaires. Un programme expérimental a été mené sur un pont continu multi poutre en acier composite de deux travées afin de comparer l’effet dynamique de trois véhicules militaires à roue ainsi qu’un véhicule à chenilles, le char d’assaut principal du Canada, le Léopard 2. Un total de quatre-vingt-dix essais ont été effectués sur le pont entièrement instrumenté. Les effets dynamiques mesurés ont ensuite été utilisés pour calculer les valeurs de coefficient de majoration dynamique appropriées pour chaque véhicule et par catégories de véhicule (à roues et à chenilles) à l’aide de diverses combinaisons d’index de fiabilité provenant de norme de conception et de facteurs de surcharge recommandés. Les résultats indiquent que le coefficient de majoration dynamique des véhicules militaires à chenilles pourrait être réduit du tiers de ceux utilisés pour l’analyse des véhicules militaires à roues. De plus, une compilation des coefficients de majoration dynamique utilisée dans différents pays a été effectué et l’application d’une valeur réduite de ce coefficient pour les véhicules à chenilles pourrait augmenter la capacité prédite des ponts de 5% à 13% pour les chars de combat. Les irrégularités de surface sont rarement prises en considération par les codes relatifs à la conception et à l’évaluation des ponts. Cependant, les recherches indiquent qu’une importante augmentation des effets dynamiques peut se produire lorsqu’un véhicule franchit un obstacle. De tels obstacles ou de telles irrégularités de surface pourraient se trouver sur un pont stratégique dans le cadre d’un conflit militaire ou à la suite de catastrophes naturelles. Un programme expérimental a été effectué avec le Léopard 2 dans le but d’examiner l’augmentation de l’effet dynamique lors du franchissement d’obstacles, et une légère augmentation des effets de charge dynamique a été constatée. Par la suite, un programme d’essais similaire a été mené avec des véhicules à roues, et les résultats ont démontré une augmentation significative des effets dynamiques des charges comparativement au Léopard 2. Dans certains cas, les effets dynamiques des charges produits par les véhicules à roues se sont avérés environ cinq fois plus importants que le Léopard 2. Tous les véhicules ont aussi subi une série d’essais lors desquels ils ont décéléré à partir de diverses vitesses jusqu’à l’arrêt complet aussi rapidement que possible. Les normes de conception appliquent une force de freinage séparément du coefficient de majoration dynamique, longitudinalement au niveau du tablier de pont ou près de celui-ci. Cette étude démontre une augmentation de l’effet dynamique des charges lors d’un freinage, en particulier sur de courtes distances. En raison des différences entre le comportement dynamique des véhicules à roues et à chenilles, l’utilisation d’un coefficient de majoration dynamique propre à chaque type de véhicules devrait être utilisée lors de l’analyse d’un pont. L’utilisation d’un coefficient de majoration dynamique réduit pour les véhicules à chenilles pourrait augmenter considérablement la mobilité des forces militaires, en particulier lorsqu’elle est combinée aux facteurs de surcharge appropriés pour les chars de combat.