Parametric Study on The Geometric Properties of Masonry Stone Bridges with an Arch Carrier System

Year 2024, , 95 - 115, 12.06.2024

Suat Gökhan Özkaya

https://doi.org/10.62520/fujece.1419980

Abstract

In this research, computational models of masonry arch bridges were constructed, taking into account distinctive features such as span dimensions, height, and arch thickness, while the arch width was maintained as a constant parameter throughout the modeling process. The finite element analysis software, ANSYS version 16, was utilized to create these computational representations. To evaluate the structural integrity and load-carrying capabilities of these bridges, loading scenarios were applied to both the center section of the bridge and a quarter of the arch span. The analytical methodology adopted for this purpose was static thrust analysis. Subsequently, the study delved into the influence of the geometrical characteristics of the arches on their load-carrying capacity. The findings of this research hold potential utility in guiding and informing the reconstruction of historic bridges that have been completely or partially demolished.

Keywords

Masonry, Arch bridge, Pushover analysis

Kemer Taşıyıcı Sistemli Yığma Taş Köprülerin Geometrik Özellikleri Üzerine Parametrik Çalışma

Abstract

Bu araştırmada, açıklık boyutları, yükseklik ve kemer kalınlığı gibi ayırt edici özellikler göz önünde bulundurularak yığma kemerli köprülerin hesaplamalı modelleri oluşturulmaya çalışılmaktadır. Kemer genişliği modelleme süreci boyunca sabit bir parametre olarak tutulmuştur. Bu hesaplamalı temsillerin oluşturulması amacıyla sonlu elemanlar analiz yazılımı olan, ANSYS sürüm 16 kullanılmıştır. Bu köprülerin yapısal bütünlüğünü ve yük taşıma kabiliyetlerini değerlendirmek için, yükleme senaryoları hem köprünün orta bölümüne hem de kemer açıklığının dörtte birine uygulanmıştır. Bu amaçla benimsenen analitik metodoloji statik itme analizidir. Daha sonra, çalışmada kemerlerin geometrik özelliklerinin yük taşıma kapasiteleri üzerindeki etkisi derinlemesine incelenmiştir. Bu araştırmanın bulguları, tamamen yıkılmış ya da kısmen yıkılmış olan tarihi köprülerin tekrardan inşa edilebilmesine rehberlik etme ve bilgilendirme konusunda potansiyel fayda sağlamaktadır.

Keywords

Yığma, Kemer köprü, İtme analizi

References

• A. C. Aydin, and S. G. Özkaya, “The finite element analysis of collapse loads of single-spanned historic masonry arch bridges (Ordu, Sarpdere Bridge)”, Eng. Fail. Analy., 84, 131-138, 2018.
• A. Galasco, S. Lagomarsino, and A. Penna, “On the use of pushover analysis for existing masonry buildings”, In First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, 9, 1-10, 2006.
• S. Resemini and S. Lagomarsino, “Displacement-based methods for the seismic assessment of masonry arch bridges”, 5th International Conference on Arch Bridges, 7, 441-450, 2007.
• M. Yazdani, and M. S. Marefat, “Seismic assessment of six-meter spans plain concrete arch bridge”, Journ.of Seism. and Earthq. Eng., 15(1), 81-90, 2013.
• Y. C. Loo, “Collapse load analysis of masonry arch bridges. In Arch bridges: proceedings of the first international conference on arch bridges held at bolton”, UK on 3–6, 167-174, Thomas Telford Publishing, 1995.
• L. Pelà, A. Aprile, and A. Benedetti, “Comparison of seismic assessment procedures for masonry arch bridges”, Cons. and Buil. Mat., 38, 381-394, 2013.
• B. O. Caglayan, K. Ozakgul, and O. Tezer, “Assessment of a concrete arch bridge using static and dynamic load tests” Struc.l Eng. and Mech., 41, 1, 83-94, 2012.
• B. S. Choo, M. G. Coutie, and N. G. Gong, “The application of the finite element method to the study of cracking in masonry arch bridges”, Paper Presented at The International Conference on Applied Stress Analysis, Nottingham, UK, 1990.
• F. Çakir, F. M. ÖzkaL, and H. Uysal,”Sonlu elemanlar yöntemi ile farklı yükleme durumları altındaki yığma kemerlerin yapısal başarımlarının incelenmesi”, 5. Tarihi Eserlerin Güçlendirilmesi ve Geleceğe Güvenle Devredilmesi Sempozyumu, 215-226, Erzurum, Turkey, 2015.
• A. Brencich, and R. Morbiducci, “Masonry arches: historical rules and modern mechanics”, International Jour. of Archit. Herit., 1, 165–189, 2007.
• A. Bayraktar, A.C. Altunisik, F. Birinci, B. Sevim and T. Turker, “Finite-element analysis and vibration testing of a two-span masonry arch bridge”, Jour. of Per Form.eo Const.Facil., 24, 1, 46-52, 2010.
• S. Toker, and A.İ. Ünay, “Mathematical modeling and finite element analysis of masonry arch bridges”, Gazi Univ. Jour. of Sci., 17, 2, 129-139, 2004.
• P. Callaway, M. Gilbert and C. C. Smith, “Influence of backfill on the capacity of masonry arch bridges”, Proceedings of The Institution of Civil Engineers: Bridge Engineering, 165, 147–158, 2012.
• T. Uçar, G. Şakar, “Kemerlerin statik analizi için basitleştirilmiş bir yaklaşım”, Dumlupınar Üniver.Fen Bil. Enstit. Derg., 24, 37, 2011.
• T. E. Boothby, D. E. Domalik, and V. A. Dalal, “Service load response of masonry arch bridges”, Jour.of Struc.Eng., 124, 1, 17-23, 1998.
• Ş. Sözen, M. Çavuş, “Tek açıklıklı tarihi taş köprülerde form değişikliğinin köprünün sismik davranışına etkisinin değerlendirilmesi: niksar yılanlı (leylekli) köprü örneği”, Düzce Üniver. Bil. ve Tekn. Derg., 8, 1, 48-59, 2020.
• A. Özmen, and E. Sayın, “Tarihi yığma bir köprünün deprem davranışının değerlendirilmesi”, Niğde Ömer Halisdemir Üniver. Müh. Bil. Derg., 9, 2, 956-965, 2020.
• E. Yılmaz, G. Sayın, E. Sayın, A. Özmen, “Tarihi yığma köprülerin farklı depremler altında dinamik analizi: murat bey köprüsü örneği”, Turkish Jour. of Sci. and Tech., 2022.
• P. Zampieri, N. Simoncello, J. Gonzalez-Libreros and C. Pellegrino, “Evaluation of the vertical load capacity of masonry arch bridges strengthened with FRCM or SFRM by limit analysis”, Eng. Struc, 225, 111135, 2020.
• M.S. Marefat, M. Yazdani, and M. Jafari, “Seismic assessment of small to medium spans plain concrete arch bridges”, Europ. Jour. of Envir. and Civil Eng., 23, 7, 894-915, 2017.
• B. Sevim, A. Bayraktar, A. C. Altunişik, S. Atamtürktür, and F. Birinci, “Finite element model calibration effects on the earthquake response of masonry arch bridges”, Fin. Elem. in Analy. and Des., 47, 7, 621–634, 2011.
• K. Willam, E. Warnke, “Constitutive model for the triaxial behavior of concrete”, Inter. Assoc. for Brid., 1-30, 1975.
• ANSYS Swanson Analysis System, USA, 2016.
• A. Cavicchi and L. Gambarotta, “Collapse analysis of masonry bridges taking into account arch–fill interaction”, Eng. Struc., 27, 4, 605-615, 2005.