Load-carrying capability and seismic assessment of masonry bridges

Abstract

The present work contributes to the knowledge of the structural behaviour of masonry bridges and proposes a modelling approach for their assessment under exercise loads and seismic actions. As a first step, an experimental investigation on brickwork specimens is carried out to define the material properties; the tests are performed under cyclic centred and eccentric compression with displacement control. Secondly, a fiber beam model is used to simulate eccentric compression experiments: the fiber constitutive relation is determined and calibrated according to centred tests and the feasibility in predicting the cross-section response of brick arches and piers under axial load and bending moment is demonstrated. The simplicity of a 1-D model, combined with its accuracy in taking into account the mechanical properties of the material, makes it suitable for the structural analysis of masonry bridges. Then, a representative sample of existing large-span rail viaducts is considered, for which the loadcarrying capability under travelling load is estimated. Numerical simulations highlight the effect of the constitutive assumptions on the overall resistance estimate and the reliability of yield design-based approaches; the safety level and expected damage under exercise load are also provided. Finally, the dynamic behaviour of masonry bridges is examined starting from the response of a single arch to base impulse acceleration and earthquake motion, considering the influence of arch geometry and material properties. The safety of a multi-span viaduct towards different earthquake scenarios is then assessed by means of push-over analyses and non-linear dynamic simulations under sets of suitable natural accelerograms. The reliability of earthquake engineering conventional procedures, based on non-linear static methods, is evaluated when applied to masonry bridges and a framework for performance-based seismic assessment is outlined.

Il lavoro fornisce un contributo alla conoscenza dei ponti in muratura, per i quali viene sviluppato un approccio per la valutazione della sicurezza rispetto ai carichi di esercizio e all’azione sismica. In prima battuta vengono determinate le caratteristiche della muratura attraverso una campagna sperimentale con prove cicliche di compressione, condotte con carico centrato ed eccentrico in controllo di spostamento. Le prove di pressoflessione sono poi simulate utilizzando un modello di trave con sezione a fibre, da adottare per la rappresentazione del comportamento di archi e pile, in cui la relazione costitutiva della fibra è calibrata sulla base delle prove centrate. Il confronto con la sperimentazione dimostra l’attendibilità dell’approccio proposto e, d’altra parte, la semplicità di un modello monodimensionale, unita alla sua accuratezza nel tenere conto delle proprietà meccaniche del materiale, lo rende adatto per l’analisi strutturale dei ponti in muratura. Successivamente, viene preso in esame un insieme di dodici viadotti ferroviari esistenti di grande luce, per i quali si valuta la capacità portante al variare delle ipotesi costitutive adottate, verificando l’attendibilità di approcci basati sull’analisi limite e stimando il livello di sicurezza e di sollecitazione in condizioni di esercizio. Infine, viene analizzato il comportamento dinamico dei ponti in muratura studiando innanzitutto la risposta di un singolo arco ad azioni impulsive e sismiche e valutando successivamente il comportaemento sismico di ponti a più arcate attraverso analisi di push-over e analisi dinamiche non lineari con accelerogrammi naturali. Il confronto tra le diverse simulazioni per un caso di studio consente di mettere a fuoco alcune problematiche legate all’applicazione ai ponti in muratura delle metodologie attualmente impiegate per la verifica delle costruzioni in zona sismica basate su metodi statici non lineari e di evidenziare i criteri di base per l’impostazione di una procedura di valutazione della sicurezza nei confronti del terremoto su base prestazionale.