Optimization of a Computational Model for the Restoration of the Intrados of the Charles Bridge (Prague)

Abstract

Karlův most je jeden ze symbolů Prahy. Tento monument představuje jeden z klenotů gotické architektury a je zařazen na seznam UNESCO. Ač jeho stavba byla nařízena Karlem IV. ve 14. století, nacházel se až do konce 19. století na významné obchodní cestě Svaté říše římské. Během staletí byl most mnohokrát vážně poškozen. Mimo jiné může být zmíněno zřícení pilířů při povodních a chemická degradace způsobená prosakováním vody. V současné době vyžadují urgentní péči klenby mostních oblouků. Součástí předběžné studie pro přípravu obnovy klenby mostu je tato práce, která je zaměřena na vývoj a optimalizaci výpočetního modelu sloužícího pro porozumění chování oblouku při výměně poškozených kamenných jednotek. Modelování tohoto procesu je specifické úzkým spojením s postupem výstavby a změnami statického schématu. Konečné prvky tvořící poškozené kamenné bloky mizí, ale jiné, mající stejnou topologií, ale jiné vlastnosti a zatížení, se objevují. Modelování přenosu napětí z konstrukce do nového kamene (aktivace), je obtížné správně vystihnout. Za tímto účelem byly vytvořeny dva modely. První homogenní model může vhodně popsat celý proces výměny. Druhý model odráží mesostrukturu zdiva a je vhodnější pro popis aktivace. Reprezentativní oblast nejvíce poškozeného mostního oblouku je prozkoumána pomocí lineární metody konečných prvků a jsou určeny nejvíce ovlivňující faktory. Cílovými kritérii jsou minimální deformace oblouku a zvýšení napětí v blocích v opravované oblasti.

The Charles Bridge is one of the symbols of Prague. This monument constitutes one of the jewels of Gothic structures and is classified by the UNESCO. Ordered by Charles IV in the 14th century, it laid until the end of the 19th century on an important trade road crossing the Holy Roman Empire. It suffered from severe damages through centuries. Amongst them can be mentioned the collapse of pillars due to floods, as well as chemical deterioration due to water infiltration. Nowadays, the parts that require the most urgent attention are the intrados of the arches. As a part of preliminary study to prepare the restoration of the intrados, the present work aims at developing and optimizing a computational model to understand the behavior of the arches when replacing the damaged stone units. The specificity of such modeling is closely linked to the construction stages and changes in the statical scheme. Finite elements constituting the damaged stone blocks vanish, then other elements of the new unit appear -- they have the same topology, but different properties and loading. Finally, the transfer of stress from the structure to the new stone, what can be called the reactivation, is delicate to model properly. For this purpose, two models are developed. One, homogeneous, can describe the complete procedure. The other one, reflecting the mesostructure of the masonry, is more suitable to capture the reactivation phenomenon. A representative area of the most damaged arch is investigated by means of a linear finite element analysis and the most influencing factors are determined. The target criteria are the minimum deformation of the arch and the minimum stress increase in the surrounding stones in the repaired area.