Design and structural analysis of a transformable bridge

Abstract

Bu çalışma, devre montaj yöntemini kullanarak düz çubuklarla düz bir biçimden kavisli bir biçime dönüşebilen tek serbestlik dereceli (1 serbestlik dereceli) biçim değiştirebilir bir yaya köprüsü tasarlamaya odaklanmaktadır. Literatür taraması, zaman içinde açılıp kapanabilirliğin biçim değiştirebilirliğe dönüştüğünü göstermektedir. Makas mekanizmaları ile yapılan önceki tasarımlar birim birleştirme yöntemine dayanırken, daha sonraki tasarımlar giderek daha fazla devre birleştirme yöntemi kullanmaktadır. Bu nedenle, bu çalışma ilk olarak literatürde rijit çubuklarla tasarlanmış tek serbestlik dereceli düzlemsel açılıp kapanabilir ve biçim değiştirebilir yapıları incelemektedir. Daha sonra, çalışma düzlemsel makas mekanizmalarını, dörtgen devre tiplerini, devre birleştirme yöntemi ve bu yöntemdeki ilerlemeleri gözden geçirmektedir. Özellikle literatürde, farklı devreler kullanılarak düz çubuklarla tasarlanmış tek serbestlik dereceli biçim değiştirebilir çubuk yapılarının örnekleri yoktur. Ek olarak, mevcut yapısal analizler, makas çubuklarının bükülme açısının yapısal performansı nasıl etkilediğini araştırmamıştır. Literatürdeki bu boşlukları ele almak için bu çalışma, içbükey deltoid ve ters paralelkenar devreleri kullanarak, düz çubuklar ile yeni bir tek serbestlik dereceli biçim değiştirebilir çelik yaya köprüsünün yapısal tasarımını sunmaktadır. Ayrıca, 180 derece düz çubukların kullanımını ve bükülme açısının köprülerin yapısal performansa göre davranışı üzerindeki etkisini analiz eder. Bu köprü, düz biçimi ile yayalar ve tekerlekli sandalye kullanıcılarının, kavisli biçimi ile küçük su taşıtlarının ve yayaların geçişine imkan tanıyarak kesintisiz ve engelsiz ulaşım sağlamaktadır. Tüm çizimler ve 3B modeller SolidWorks® kullanılarak oluşturulmuş ve yapısal analizler için SAP2000® yazılımı kullanılmıştır. Tasarım fizibilitesini test etmek için 1/30 ölçekli bir maket yapılmıştır. Çalışma, belirlenen zorluklarla ilgili gelecekteki araştırmalar için bulgular ve önerilerle sonuçlanmıştır.This study focuses on designing a single-degree-of-freedom (1-DoF) transformable pedestrian bridge that can transform from a straight shape to a curved one with straight links using the loop assembly method. The literature review indicates that over time, deployability has evolved into transformability. While earlier designs made with scissor mechanisms rely on unit assembly method, later designs increasingly employ loop assembly method. Therefore, this study first examines 1-DoF planar deployable and transformable structures designed with rigid bars in the literature. Subsequently, the study reviews planar scissor mechanisms, quadrilateral loop types, the loop assembly method, and the advances in this method. Notably, the literature lacks examples of 1-DoF transformable linkage structures designed with straight bars using different loops. Additionally, existing structural analyses have not explored how kink angle of scissor bars affects the structural performance. To address these gaps in the literature, this study presents the structural design of a novel 1-DoF transformable steel pedestrian bridge with straight links using dart and antiparallelogram loops. Also, it analyses usage of 180-degree straight links and impact of kink angle on the behaviour of the bridges according to structural performance. This bridge provides uninterrupted and barrier-free transportation by allowing pedestrians and wheelchair users with its straight shape, and the passage of small watercraft and pedestrians with its curved shape. All drawings and 3D models are created using SolidWorks® and SAP2000® software is used for structural analyses. A 1/30 scale mock-up is constructed to test design feasibility. The study concludes with findings and recommendations for future research on the identified challenges.