Numerical analysis of the reinforced arch method

Abstract

Masonry arches, vaults and domes are architectural elements diffusely present in a great part of the human construction heritage. Brought to its maximum magnificence from the Roman genius, and then spread all over the World throughout History, especially in the Occidental and Mediterranean countries, the arch has become one of the most recognizable mark of our architectural legacy. The Reinforced Arch Method is a rather recent strengthening technique for masonry arches and vaults that entails the application of steel post-tensioned cables at their extrados or intrados, in order to enhance capacity and ductility. Many experimental tests have been performed on this technique, but numerical modelling has not been yet fully deepened. Indeed, by means of numerical Finite Element models, the present work mainly aims at confirming the effectiveness of this procedure. At the same time, it envisages calibrating and validating the numerical tools, by comparing their results with the ones derived from an experimental campaign on scale models, performed by Prof. Lorenzo Jurina at the Polytechnic University of Milan. Macro-models, based on smeared crack material, and micro-models, based on elastic blocks with hinge opening, have been produced and tested. A comparative study on the results obtained with both procedures has been performed, underlying their specific qualities and drawbacks, especially regarding their capability to capture the collapse phenomenon and the interaction between the original structure and the strengthening system.

Los arcos, bóvedas y cúpulas de mampostería son elementos arquitectónicos ampliamente presentes en el patrimonio construido de la humanidad. Fueron llevados a su máximo esplendor por los genios Romanos, y su uso se propagó por todo el mundo a lo largo de la historia. Especialmente en occidente y en los países mediterráneos el arco se ha convertido en uno de los símbolos más reconocidos del legado de la arquitectura. El método del arco reforzado es una técnica de refuerzo estructural para arcos y bóvedas relativamente reciente que implica la utilización de cables postensados en el intradós o extradós, con el fin de aumentar la resistencia y la ductilidad. Se han realizado muchas campañas experimentales con esta técnica, sin embargo, no se ha desarrollado aún en profundidad el modelado numérico. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es confirmar la eficacia del método del arco reforzado mediante el uso de modelos numéricos de elementos finitos. Al mismo tiempo, contempla la calibración y validación de las herramientas numéricas, comparando los resultados con los obtenidos en la campaña experimental en modelos a escala, realizada por el Prof. Lorenzo Jurina de la Universidad Politécnica de Milán. Se han elaborado y probado macro-modelos, basados en ‘smeared crack material’, y micro-modelos, basados en bloques elásticos con apertura de rótulas. Además, se ha realizado un estudio comparativo de los resultados obtenidos con ambos procedimientos, destacando tanto sus cualidades específicas como sus desventajas, poniendo especial atención a su capacidad de capturar correctamente el fallo de la estructura y la interacción entre la estructura original y el sistema de refuerzo.

Archi, volte e cupole in muratura sono elementi architettonici diffusamente presenti in gran parte del patrimonio architettonico dell’Umanità. Portato al massimo splendore dal genio Romano, e poi diffuso in tutto il Mondo durante la Storia, specialmente nei paesi occidentali e del Mediterraneo, l’arco è divenuto uno dei simboli più riconoscibili della nostra tradizione architettonica. Il metodo dell’arco armato è una tecnica relativamente recente per il consolidamento degli archi e delle volte in muratura, che prevede l’applicazione di cavi in acciaio post-tesi all’estradosso o all’intradosso degli stessi, allo scopo di migliorarne la capacità resistente e la duttilità. Su questa tecnica molte prove sperimentali sono state svolte, ma la modellazione numerica non è stata ancora approfondita in maniera esaustiva. Proprio tramite l’utilizzo di modelli numerici a elementi finiti, il presente lavoro mira principalmente a confermarne l’efficacia. Allo stesso tempo prevede la calibratura e la validazione degli strumenti numerici, attraverso il confronto dei risultati ottenuti con quelli derivanti dalle prove della campagna sperimentale su modelli in scala ridotta, svolta dal Prof. Lorenzo Jurina presso il Politecnico di Milano. Macro-modelli, basati su materiale a frattura diffusa, e micro-modelli, composti di blocchi elastici con libera apertura di cerniere, sono stati prodotti e testati. Si è svolto quindi uno studio comparato sui risultati ottenuti con entrambe le procedure, sottolineandone nello specifico pregi e difetti, in particolare in merito alla loro capacità di cogliere il fenomeno del collasso e l’interazione tra la struttura originaria e il sistema di consolidamento.