Investigation of the dynamic properties of masonry arch bridges via 3D finite element modelling
Tutor / Supervisor
Student
Pino, Francesco
Document type
Master thesis
Date
2024
rights
Open Access
Publisher
Universitat Politècnica de Catalunya
Degrees
UPCommons
Abstract
Els ponts d'arc de maçoneria són essencials per a les xarxes globals de carreteres i ferrocarrils, i comprenen més del 40% dels ponts ferroviaris i el 25% dels ponts viaris a Europa. El seu comportament dinàmic està influenciat per propietats geomètriques i materials, però l'impacte específic d'aquestes característiques geomètriques en les seves freqüències modals i formes modals no es comprèn completament.
Aquest estudi explora com les característiques geomètriques dels ponts d'arc de maçoneria afecten el seu comportament dinàmic. Comença examinant els principis de construcció històrics, després identifica paràmetres geomètrics clau: llum de l'arc, gruix, alçada de l'arc, amplada del pont, dimensions dels pilars, alçada del respatller i esveltesa de l'arc.
Utilitzant models d'elements finits (EF) en 3D creats amb el Programari STKO, es van realitzar 75 models i 75 simulacions de Monte Carlo per analitzar les freqüències modals i les formes modals de ponts d'arc de maçoneria d'un sol tram. Les troballes revelen que les freqüències naturals disminueixen a mesura que augmenta la llum de l'arc, i són més altes amb arcs més gruixuts i alts. L'amplada del pont i les dimensions dels pilars també influeixen en el comportament dinàmic, amb ponts més amples i pilars més grans mostrant dinàmiques més complexes. L'esveltesa de l'arc va ser identificada com un nou paràmetre crític que afecta les propietats modals.
Els resultats van conduir al desenvolupament d'equacions empíriques per predir les freqüències naturals dels ponts d'arc de maçoneria basades en les seves característiques geomètriques.
En general, aquest estudi millora la comprensió del vincle entre les característiques geomètriques i el comportament dinàmic dels ponts d'arc de maçoneria, donant suport a la preservació i millora d'aquesta infraestructura crítica.
Los puentes de arco de mampostería son esenciales para las redes globales de carreteras y ferrocarriles, y comprenden más del 40% de los puentes ferroviarios y el 25% de los puentes viales en Europa. Su comportamiento dinámico está influenciado por propiedades geométricas y materiales, pero el impacto específico de estas características geométricas en sus frecuencias modales y formas modales no se comprende completamente.
Este estudio explora cómo las características geométricas de los puentes de arco de mampostería afectan su comportamiento dinámico. Comienza examinando los principios de construcción históricos, luego identifica parámetros geométricos clave: luz del arco, grosor, altura del arco, ancho del puente, dimensiones de los pilares, altura del respaldo y esbeltez del arco.
Utilizando modelos de elementos finitos (FE) en 3D creados con el Software STKO, se realizaron 75 modelos y 75 simulaciones de Monte Carlo para analizar las frecuencias modales y las formas modales de puentes de arco de mampostería de un solo tramo. Los hallazgos revelan que las frecuencias naturales disminuyen a medida que aumenta la luz del arco, y son más altas con arcos más gruesos y altos. El ancho del puente y las dimensiones de los pilares también influyen en el comportamiento dinámico, con puentes más anchos y pilares más grandes mostrando dinámicas más complejas. La esbeltez del arco fue identificada como un nuevo parámetro crítico que afecta las propiedades modales.
Los resultados llevaron al desarrollo de ecuaciones empíricas para predecir las frecuencias naturales de los puentes de arco de mampostería basadas en sus características geométricas.
En general, este estudio mejora la comprensión del vínculo entre las características geométricas y el comportamiento dinámico de los puentes de arco de mampostería, apoyando la preservación y mejora de esta infraestructura crítica.
Masonry arch bridges are essential to global road and railway networks, comprising over 40% of railway bridges and 25% of road bridges in Europe. Their dynamic behavior is influenced by geometric and material properties, but the specific impact of these geometric characteristics on their modal frequencies and mode shapes is not fully understood.
This study explores how the geometric characteristics of masonry arch bridges affect their dynamic behavior. It begins by examining historical construction principles, then identifies key geometric parameters: arch span, thickness, rise, bridge width, pier dimensions, backing height, and arch slenderness.
Using 3D finite element (FE) models created with STKO Software, 75 models and 75 Monte Carlo simulations were conducted to analyze the modal frequencies and mode shapes of single-span masonry arch bridges. Findings reveal that natural frequencies decrease as arch span increases, and are higher with thicker and taller arches. Bridge width and pier dimensions also influence dynamic behavior, with wider bridges and larger piers showing more complex dynamics. Arch slenderness was identified as a new critical parameter affecting modal properties.
The results led to the development of empirical equations for predicting the natural frequencies of masonry arch bridges based on their geometric characteristics.
Overall, this study enhances understanding of the link between geometric characteristics and dynamic behavior of masonry arch bridges, supporting the preservation and improvement of this critical infrastructure.
Entitat col·laboradora
Politecnico di Torino
Participating teacher
- Pietro, Cornetti
- Gianfranco, Piana