Computational Modeling of the Arch Stone Bridge in Rabštejn, Czech Republic

Abstract

Výpočetní modelování obloukového kamenného mostu v Rabštejně Kamenný obloukový most v Rabštejně je jedna z nejstarších staveb svého druhu v České republice. Most byl pravděpodobně postaven ve 14. století a svou funkci plní i v současné době. Navzdory střednímu stupni poškození, který byl zjištěn při nedávném inženýrském průzkumu, zůstává most v bezpečném stavu pro užívání. Skutečnou únosnost mostu bylo nicméně potřeba podložit numerickým výpočtem. V této práci bylo provedeno numerické posouzení únosnosti jednak nelineární metodou konečných prvků (MKP) a dále dvěma zjednodušenými postupy dle českých technických norem pro stavitelství. Použití zjednodušených postupů umožnilo rychlé a přímočaré vyhodnocení únosnosti mostu, ale obdržené výsledky byly příliš konzervativní v porovnání s výsledky z MKP. Na druhou stranu za cenu vyšší pracnosti a výpočetního času poskytla MKP přesnější a rozsáhlejší informace. V programu ATENA bylo vytvořeno šest výpočetních modelů. Tyto modely kombinují různé zjednodušující přístupy pro modelování zdiva (homogenizovaný model na makroúrovni a dvě varianty na mikroúrovni) se dvěma přístupy pro popis kontinua ve 2D (rovinná napjatost a rovinná deformace). Výsledky získané pomocí MKP naznačují, že nejvyšší hodnoty dovoleného zatížení je dosaženo při výpočtu s modelem na mikroúrovni za rovinné napjatosti, zatímco nejnižší únosnosti je dosaženo při použití homogenizovaného modelu na makroúrovni. Výsledky jsou shrnuty v poslední části této práce, kde jsou také probrány klady a zápory jednotlivých výpočetních přístupů.

The arch stone bridge in Rabstejn is one of the oldest structures of its kind in the Czech Republic. It was probably built in the 14th century, and it is still in use. Recent engineering survey has shown that, despite having moderate damages, the bridge is safe for use. Nevertheless, numerical modeling of the structure was required in order to evaluate its load bearing capacity. In this work a numerical assessment of the load bearing capacity of the Rabstejn bridge was carried out using nonlinear Finite Element Analysis (FEA) as also two simplified techniques available in Czech building standards. Adoption of the simplified approaches allowed for a straightforward evaluation of the bearing strength of the bridge, but the obtained results were too conservative in comparison with the FEA outcomes. The nonlinear FEA, on the other hand, provided more accurate and extensive data but required more time and effort. Six computational models were created in ATENA software; these models combined various approaches to simplify representation of masonry materials (homogenized macro level and two variants of micro level) and different continuum approaches (plane stress and plane strain). Results obtained from the FEA indicate that the highest value of permissible load is reached for the micro-model tested in plane strain continuum state, whereas the lowest capacity is obtained in the simplified approach on a macro level. The results are summarized in the last sections of this work, where the pros and cons of each assessment method are discussed.