Comparison of Modelling Approaches to Analysis of Masonry Arch Bridges

Abstract

Zděné klenby byly používány při výstavbě mostů po celá tisíciletí a dodnes je mnoho zděných klenbových mostů v provozu. I přesto, že používání zdiva je velmi rozšířené, vědecké přístupy k jeho navrhování a analýze byly vyvinuty jen v nedávné době. Odhady spodní hranice únosnosti jsou k dispozici již od 19. století, nicméně v posledních desetiletích byly tyto postupy do velké míry nahrazeny metodami diskrétních a konečných prvků. Tyto nové analytické techniky umožňují věrohodnější modelování klenbových konstrukcí, a proto se předpokládá, že poskytují přesnější výsledky. Nicméně, jejich konzervativnost a použitelnost jsou i dnes předmětem zkoumání. Účelem této studie je kritické srovnání různých analytických metod, přičemž jsou porovnávány výsledné odezvy konstrukce, efektivita modelování a různé způsoby modelování násypu. Uvažované techniky zahrnují "ruční" výpočet metodou mezní analýzy, metodu diskrétních tuhých prvků, metodu konečných prvků s rozetřenými trhlinami a metodu konečných prvků s diskrétními trhlinami. Porovnání je provedeno na případové studii zděného klenbového mostu se dvěma oblouky z 19 století, který se nachází ve městě Troy, stát New York, USA. Na mostě byla v roce 1986 provedena rozsáhlá rekonstrukce, při které byly odstraněny a vyměněny poprsní zdi a násyp. V té době byl pro statické posouzení mostu použit elastický prutový model. Tlakové napětí a kontaktní plocha s vyloučením tahu v kritických průřezech byly omezeny na přípustné návrhové hodnoty. Druhým cílem prezentovaného výzkumu bylo porovnání výsledků pružné analýzy s výsledky moderních metod analýzy konstrukcí a aktualizace statického posouzení únosnosti mostu.

Masonry arches have been used in bridge construction for millennia, and there are many masonry arch bridges still in service throughout the world. Despite masonry's wide use, it is only recently that scientific approaches to design and analysis have been developed. Lowerbound estimates of strength have been available since the 19th century, but these have largely been supplanted recently by rigid-block and finite element techniques developed over the last few decades. These modern analysis techniques provide better representation of arch structures, and are thought to provide more accurate results. However, their conservativeness and range of application are still being studied. The purpose of this study is to critically compare various analysis techniques, evaluating the results from the point of view of structural response, modelling efficiency, and variations in the infill modelling. The techniques considered include limit analysis "by hand", rigid-block analysis, finite element analysis using a smeared crack model, and finite element analysis using a discrete crack model. This study uses as a case study a 19th-century two-span stone masonry arch in Troy, NY, USA. In 1986, the bridge underwent a significant intervention in which the infill and spandrel walls were removed and replaced. At the time, the bridge was rated by idealizing the bridge as a series of elastic beams. The compressive stress and percent contact area were limited to allowable design values. A secondary purpose of the research was to compare the results of the elastic analysis with the results of the modern analyses, and to provide an updated load rating.