3D numerical simulation of experiments on masonry arch bridges

Abstract

Masonry arch bridges are one of the oldest civil engineering heritage preserved until today. Besides having great historical and engineering value, most are still functional and come to be approximately 60% of the total European masonry railway bridge stock. Most of these structures have to withstand increased axle loads higher than the designed ones. Consequently, many masonry bridges are damaged and need to be refurbished and in worst cases replaced. The Construction Engineering Department of the Polytechnic University of Catalonia carried out a real-scale masonry arch bridge aiming to improve the understanding of these types of structures. Since this experimental test, and based on previous studies of the same case of study, this dissertation has the objective to set up a three-dimensional numerical model to reproduce the same results obtained in the laboratory. First, a current state of the art about these types of structures is presented including a brief description of the main structural elements and their typologies, the main characteristics of masonry and a brief history of the analysis of these structures, from its beginnings in the seventeenth century till the implementation of finite element method. Moreover, the construction, material characterization and test instrumentation of the experimental test is described. The results are analysed and compared with previous analytical and numerical predictions. Finally, a non-linear analysis of a new three-dimensional model including all the main structural elements and interactions between them through the use of interface elements is performed.

Los puentes en arco de obra de fábrica son una de las formas de paso más antiguas que se conservan hoy en día. Además de tener gran valor patrimonial e ingenieril, la mayoría aún son funcionales y llegan a representar hasta el 60% del total de los puentes de ferrocarril en Europa. La mayor parte de estas estructuras han visto aumentar considerablemente sus cargas en los últimos años. En consecuencia, muchos puentes de obra de fábrica se encuentran deteriorados y necesitan ser analizados y en el peor de los casos rehabilitados. En el Departamento de Ingeniería de la Construcción de la Universidad Politécnica de Cataluña se llevó a cabo un ensayo de un puente en arco de obra de fábrica a escala real enfocado a la mejora del entendimiento del funcionamiento de este tipo de estructuras. A partir de este ensayo y de varios estudios previos del mismo, esta tesina tiene como principal objetivo realizar un modelo numérico tridimensional que permita reproducir los mismos resultados obtenidos en el laboratorio. Primero, se presenta un estado actual del conocimiento detallado sobre este tipo de estructuras incluyendo una breve descripción de los principales elementos estructurales y sus principales tipologías, principales rasgos de la obra de fábrica como material y una breve historia del análisis de este tipo de estructuras, desde sus inicios en el siglo XVII hasta la actualidad con la implementación del método de los elementos finitos. Después, se describe la construcción y ejecución del ensayo realizado en el laboratorio. Se analizan los resultados y se contrastan con diversos modelos numéricos que fueron realizados posteriormente. Finalmente, se realiza un análisis no-lineal de un nuevo modelo tridimensional incluyendo todos los principales elementos estructurales y sus interacciones entre ellos por medio de elementos de interfaz.