Experimental and analytical investigations of brick masonry under compressive fatigue loading

Abstract

About 40% of bridges in European transport network are masonry arch bridges (most built over 100 years ago) and are being subjected to increasing loading regimes. Assessment ofthe long-term fatigue capacity of masonry bridges is necessary to ensure that increased traffic loading does not result in premature deterioration and/or reduce their lifeexpectancy. The study investigates the influence of compressive fatigue loading on the behaviour and mechanical properties of low-strength brick masonry, relevant to thestructural loadbearing elements, for example the arch ring in canal masonry bridges.Masonry prisms were tested (n=70) under quasi-static and long-term fatigue loading to collect information on the number of loading cycles under a range of stress levels, changesin the stress-strain curves, evolution of strain and Young’s modulus during fatigue deterioration. Laboratory tests were performed under maximum stress levels between 55–80% of the compressive strength, at 2Hz frequency for a maximum of 10.000.000 loading cycles. Test data were analysed to develop analytical expressions to predict the response ofmasonry under fatigue loading. Test results reveal that fatigue deterioration is characterised by three distinct stages in strain evolution and stress-strain curves. TheYoung’s modulus decreased by 25%, while the maximum recorded strain increased up to 5.25 times. An expression for the stress - number of cycles - probability (S-N-P) curves wasproposed based on probabilistic analysis to predict the fatigue life of masonry at any desired probability. A set of three formulas were developed to predict strain evolution at different stages of fatigue life and a linear equation was derived for the evolution of the Young’s modulus. The proposed S-N-P model can provide numerical data for fatigue analysis of low-strength masonry arch bridges, e.g. for the SMART method to evaluate the remaining service under any traffic loading level. The rate of change in strain can provide useful reference data for long-term monitoring to identify the stage of the fatigue life the structure is experiencing. A reduction factor for the Young’s modulus between 0.9–0.75, depending on the stress level, can be used for assessing masonry arch bridges under fatigue loading. As a consequence, it is recommended that the models describing changes of the mechanical properties of masonry with loading cycles can be adapted by finite element software packages to develop time-dependant models for the analysis of masonry under fatigue.

Περίπου το 40% των γεφυρών στο ευρωπαϊκό δίκτυο μεταφορών είναι τοξωτές γέφυρες (οι περισσότερες κατασκευάστηκαν πάνω από 100 χρόνια) οι οποίες υπόκεινται σε συνεχώς αυξανόμενα φορτία. Η αξιολόγηση της αντοχής σε κόπωση γεφυρών από τοιχοποιία είναι απαραίτητη για να διασφαλιστεί ότι τα αυξημένα κυκλοφοριακά φορτία δεν οδηγούν σε πρόωρη φθορά και/ή μείωση του προσδόκιμου ζωής τους. Η μελέτη διερευνά την επίδραση του θλιπτικού φορτίου κόπωσης στη συμπεριφορά και τις μηχανικές ιδιότητες της χαμηλής αντοχής τοιχοποιίας από οπτόπλινθους, που σχετίζονται με τα δομικά φέροντα στοιχεία, για παράδειγμα το τόξο δακτύλιο σε γέφυρες τοιχοποιίας καναλιών.Τα πρίσματα τοιχοποιίας δοκιμάστηκαν (n=70) υπό οιονεί-στατική και μακροχρόνια φόρτιση κόπωσης για τη συλλογή πληροφοριών σχετικά με τον αριθμό των κύκλων φόρτισης υπό ένα εύρος τάσεων, τις αλλαγές στις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης, την εξέλιξη της παραμόρφωσης και του μέτρου ελαστικότητας κατά την εξέλιξη της φθοράς λόγω κόπωσης. Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν υπό μέγιστα επίπεδα τάσης μεταξύ 55-80% της θλιπτικής αντοχής, υπό συχνότητα 2Hz για μέγιστο 107 κύκλους φόρτισης. Τα πειραματικά δεδομένα επεξεργάστηκαν για την ανάπτυξη αναλυτικών σχέσεων για την πρόβλεψη της απόκρισης της τοιχοποιίας υπό φορτία κόπωσης. Τα αποτελέσματα των δοκιμών αποκαλύπτουν ότι η φθορά λόγω κόπωσης χαρακτηρίζεται από τρία διακριτά στάδια στην εξέλιξη της παραμόρφωσης και στις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης. Το μέτρο ελαστικότητας μειώθηκε κατά 25%, ενώ η μέγιστη καταγεγραμμένη αξονική παραμόρφωση αυξήθηκε έως και 5,25 φορές. Μια μαθηματική σχέση για τις καμπύλες τάσης - αριθμός κύκλων - πιθανότητας (S-N-P) προτάθηκε βάσει πιθανοτικής ανάλυσης για την πρόβλεψη της διάρκειας ζωής της τοιχοποιίας υπό κόπωση με οποιαδήποτε επιθυμητή πιθανότητα. Συνολικά αναπτύχθηκε ένα σύνολο τριών σχέσεων για την πρόβλεψη της εξέλιξης των παραμορφώσεων σε διαφορετικά στάδια της διάρκειας ζωής υπό κόπωση και προέκυψε μια γραμμική εξίσωση για την εξέλιξη του μέτρου ελαστικότητας. Το προτεινόμενο μοντέλο S-N-P μπορεί να παρέχει αριθμητικά δεδομένα για ανάλυση κόπωσης τοξωτών γεφυρών τοιχοποιίας χαμηλής αντοχής, π.χ. για τη μέθοδο SMART για την αξιολόγηση της εναπομείνασας διάρκειας ζωής σε οποιοδήποτε επίπεδο κυκλοφοριακής φόρτισης. Ο ρυθμός μεταβολής της παραμόρφωσης μπορεί να παρέχει χρήσιμα δεδομένα αναφοράς για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση για τον προσδιορισμό του σταδίου της διάρκειας ζωής κόπωσης που υπόκειται η κατασκευή. Ένας συντελεστής μείωσης του μέτρου ελαστικότητας μεταξύ 0,9-0,75, ανάλογα με το επίπεδο τάσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση τοξωτών γεφυρών από τοιχοποιία υπό κυκλικά φορτία κόπωσης. Κατά συνέπεια, συνιστάται τα μοντέλα που περιγράφουν αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες της τοιχοποιίας με κύκλους φόρτωσης να μπορούν να προσαρμοστούν από πακέτα λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων για την ανάπτυξη μοντέλων που εξαρτώνται από το χρόνο για την ανάλυση τοιχοποιίας υπό κόπωση.