Analysis of traffic load effects in railway backfilled arch bridges

• Autorzy: Kamiński Tomasz , Machelski Czesław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.140640

Warianty tytułu

PL

Analiza efektów obciążeń użytkowych w kolejowych mostach sklepionych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The problem of the arch barrel deformation in railway backfilled arch bridges caused by their typical service loads is analysed. The main attention is paid to vertical or radial displacements of characteristic points of the arch barrel. In the study results of deflection measurements carried out on single and multi-span backfilled arch bridges made of bricks or plain concrete during passages of various typical railway vehicles are used. On the basis of such results empirical influence functions of displacements are being created. In the next step, the results are utilised to estimate bending effects within the arch. The paper includes different procedures based on measurements of displacements in various points and directions. Using empirical influence functions arbitrary virtual load cases may be also considered. In this manner the proposed methodology shows a potential to be an effective tool of comprehensive calibration of numerical models of backfilled arch bridges on the basic of field tests carried out under any live loads.

PL

Artykuł skupia się na zagadnieniu przemieszczeń sklepień mostów murowanych wywołanych ich typowymi obciążeniami użytkowymi. Szczególna uwaga zwrócona jest na pomiar przemieszczeń pionowych i radialnych w charakterystycznych punktach sklepienia. W przedstawionych przykładach rozpatrzono zachowanie jedno- i wieloprzęsłowych mostów łukowych opartych na sklepieniach murowanych i betonowych pod obciążeniem przejeżdżającymi pojazdami kolejowymi różnego rodzaju. Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów terenowych prowadzonych na powyższych obiektach stworzono doświadczalne funkcje wpływu przemieszczeń. W kolejnym kroku uzyskane wyniki wykorzystywane są do wyznaczenia momentów zginających w sklepieniu. W artykule przedstawiono odmienne procedury postępowania bazujące na pomiarach przemieszczeń w różnych kierunkach i w różnie rozmieszczonych punktach. Szczególną zaletą przedstawionego całościowego podejścia jest możliwość wykonania pożądanych pomiarów podczas standardowej eksploatacji mostu bez jakiegokolwiek zakłócania ruchu taboru, co w wielu sytuacjach czyni przeprowadzenie tego typu badań w ogóle możliwymi. Przyjęte schematy postępowania są szczególnie skuteczne w przypadku obiektów kolejowych charakteryzujących się regularnością i łatwości w identyfikacji ich schematów obciążeń reprezentowanych zwłaszcza przez lokomotywy. Niemniej jednak przedstawione podejście może być wykorzystane również w analizie mostów drogowych. Podane procedury mogą opierać się też na innych efektach statycznych (przemieszczeniach i odkształceniach w dowolnych kierunkach) mierzonych w dowolnych punktach konstrukcji. Zaproponowaną metodykę można wykorzystywać, co również zobrazowano w artykule, jako efektywne narzędzie do wszechstronnej kalibracji modeli numerycznych mostów sklepionych obejmującej np. weryfikację ich parametrów materiałowych, niewidocznej geometrii czy, w przypadku modeli dwuwymiarowych, ich szerokości efektywnej.

Słowa kluczowe

EN

field testing; finite difference method; finite element method; influence line; masonry bridge; backfilled arch bridge; numerical analysis; traffic load; railway bridge

PL

analiza numeryczna; badanie terenowe; linia wpływu; metoda elementów dyskretnych; metoda elementów skończonych; most murowany; most sklepiony; obciążenie użytkowe; most kolejowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 2
• Strony: 243--260
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kamiński Tomasz

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9023-3734

autor

Machelski Czesław

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1215-7908

Bibliografia

• [1] T.E. Boothby, V.A. Dalal, “Service load response of masonry arch bridges”, Journal of Structural Engineering, 1998, vol. 124, no. 1, pp. 17-23, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1998)124:1(17).
• [2] J. Page, Masonry arch bridges. London, UK: HMSO, 1993.
• [3] C.A. Fairfield, D. Ponniah, “Model tests to determine the effect of fill on buried arches”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Structures and Buildings, 1994, vol. 104, pp. 471-482, DOI: 10.1680/istbu.1994.27205.
• [4] T.G. Hughes, M.C.R. Davies, P.R. Taunton, “The influence of soil and masonry type on the strength of masonry arch bridges”, in Proceedings of the 2nd International Arch Bridge Conference - Arch Bridges: History, analysis, assessment, maintenance and repair, 1998, pp. 321-330, DOI: 10.1201/9781003078494-46.
• [5] P. Krajewski, Z. Janowski, “The influence of backfill type on the behaviour of barrel vault”, Technical Transactions, 2011, vol. 19, pp. 187-204. [Online]. Available: http://repozytorium.biblos.pk.edu.pl/ resources/35434. [Accessed: 10. Nov. 2021].
• [6] M. Gilbert, F.W. Smith, J.Wang, P.A. Callaway, C. Melbourne, “Small and large-scale experimental studies of soil-arch interaction in masonry bridges”, in Proceedings of the 5th International Conference on Arch Bridges, ARCH’07, Madeira, Portugal. 2007, pp. 381-388.
• [7] R. Royles, A.W. Hendry, “Model tests on masonry arches”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Part 2. Research and Theory, 1991, vol. 91, pp. 299-321, DOI: 10.1680/iicep.1991.14997.
• [8] R. Helmerich, E. Niederleithinger, C. Trela, J. Bień, T. Kamiński, G. Bernardini, “Multi-tool inspection and numerical analysis of an old masonry arch bridge”, Structure and Infrastructure Engineering, 2015, vol. 8, no. 1, pp. 27-39, DOI: 10.1080/15732471003645666.
• [9] G. Zani, P. Martinelli, A. Galli, M. Di Prisco, “Three-dimensional modelling of a multi-span masonry arch bridge: Influence of soil compressibility on the structural response under vertical static loads”, Engineering Structures, 2020, vol. 221, DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.110998.
• [10] C. Costa, D. Ribeiro, P. Jorge, R. Silva, R. Calçada, A. Arêde, “Calibration of the numerical model of a short- span masonry railway bridge based on experimental modal parameters”, Procedia Engineering, 2015, vol. 114, pp. 846-853, DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.038.
• [11] A. Bayraktar, A.C. Altunışık, F. Birinci, B. Sevim, T. Türker, “Finite-element analysis and vibration testing of a two-span masonry arch bridge”, Journal of Performance of Constructed facilities, 2010, vol. 24, no. 1, pp. 46-52, DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000060.
• [12] C. Pepi, M. Gioffrè, G. Comanducci, N. Cavalagli, A. Bonaca, F. Ubertini, “Dynamic Characterization of a Severely Damaged Historic Masonry Bridge”, Procedia Engineering, 2017, vol. 199, pp. 3398-3403, DOI: 10.1016/j.proeng.2017.09.579.
• [13] A. Brencich, D. Sabia, “Experimental identification of a multi-span masonry bridge: the Tanaro Bridge”, Construction and Building Materials, 2008, vol. 22, no. 10, pp. 2087-2099, DOI: 10.1016/j.conbuildmat. 2007.07.031.
• [14] C. Costa, D. Ribeiro, P. Jorge, et al., “Calibration of the numerical model of a stone masonry railway bridge based on experimentally identified modal parameters”, Engineering Structures, 2016, vol. 123, pp. 354-371, DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.05.044.
• [15] B. Conde, L.F. Ramos, D.V. Oliveira, et al., “Structural assessment of masonry arch bridges by combination of non-destructive testing techniques and three-dimensional numerical modeling: Application to Vilanova bridge”, Engineering Structures, 2017, vol. 148, pp. 621-638, DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.07.011.
• [16] C. Pepi, N. Cavalagli, V. Gusella, M. Gioffrè, “An integrated approach for the numerical modeling of severely damaged historic structures: Application to a masonry bridge”, Advances in Engineering Software, 2021, vol. 151, DOI: 10.1016/j.advengsoft.2020.102935.
• [17] M. Yazdani, P. Azimi, “Assessment of railway plain concrete arch bridges subjected to high-speed trains”, Structures, 2020, vol. 27, pp. 174-193, DOI: 10.1016/j.istruc.2020.05.042.
• [18] A. Bayraktar, T. Türker, A.C. Altunişik, “Experimental frequencies and damping ratios for historical masonry arch bridges”, Construction and Building Materials, 2015, vol. 75, pp. 234-241, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.10.044.
• [19] J. Bień, J. Zwolski, T. Kamiński, J. Rabiega, P. Rawa, M. Kużawa, “Dynamic tests of two old masonry arch bridges over Odra River in Wrocław”, in 4th International Conference on Experimental Analysis for Civil Engineering Structures, EVACES 2011, Varenna, Włochy. 2011, pp. 79-86.
• [20] S. Ataei, M.J. Alikamar, V. Kazemiashtiani, “Evaluation of Axle Load Increasing on a Monumental Masonry Arch Bridge Based on Field Load Testing”, Construction and Building Materials, 2016, vol. 116, pp. 413-421, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.126.
• [21] S. Ataei, A. Miri, “Investigating dynamic amplification factor of railway masonry arch bridges through dynamic load tests”, Construction and Building Materials, 2018, vol. 183, pp. 693-705, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.06.151.
• [22] C. Machelski, “Stiffness of railway soil-steel structures”, Studia Geotechnika et Mechanica, 2015, vol. 37, no. 4, pp. 29-36, DOI: 10.1515/sgem-2015-0042.
• [23] O. Burdet, S. Corthay, “Static and dynamic load testing of Swiss bridges”, in Proceedings of the International Bridge Conference, vol. 2. Warszawa, 1994, pp. 13-22.
• [24] C. Machelski, “The use of the collocation algorithm for estimating the deformation of soil-shell objects made of corrugated sheets”, Studia Geotechnika et Mechanica, 2020, vol. 42, no. 4, pp. 319-329, DOI: 10.2478/sgem-2019-0048.
• [25] J. Orkisz, “Finite Difference Method (part III)”, in: Handbook of Computational Solid Mechanics, M. Kleiber, Ed. Springer-Verlag, 1998, pp. 336-431.
• [26] T. Kamiński, “Mezomodelling of masonry arches”, 6th International Conference AMCM’2008 - Analytical Models and New Concepts in Concrete and Masonry Structures, 9-11 June 2008, Łódz, 9-11 June. 2008, pp. 359-360.
• [27] P.B. Lourenço, “The elastoplastic implementation of homogenisation techniques”. Delft University of Technology Report, TNO-95-NM-R0251, 1995.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).