Robustness-based assessment of railway masonry arch bridges

Abstract

Railway masonry arch bridges (MAB) were first created to allow human beings to travel through bodies of water. The durable masonry allowed the bridges to withstand heavy subjection to loads, exposure to climate, and the passing of time. To this day, many older railway MAB remain standing—while never undergoing any renovations—supporting more loads than the original intent; standing true to their robustness. The concept of robustness gained interest following the collapse of the Roman Point building in the second half of the 20th century. The collapse of the multi-storey building—that resulted from a single oven gas explosion—lead to the development of a concept of robustness as proportionality between inflicted damage and consequence. A few decades later, at the beginning of the 21st century, the collapse of the Twin Towers increased the interest in developing efficient methods to measure robustness. While various methods have been proposed to assess robustness, to this day there exists no consensual decision in which of those methods should be enforced. The paper assesses and compares the robustness of the bridge of Vila Mea through three applications; i) probabilistic based redundancy; ii) Frangopol and Curley approach; iii) Cavaco method. To compute the robustness of the bridge, the reliability indexes of the damaged and undamaged structure are defined. To determine the reliability indexes of the damaged and undamaged structure, the bridge of Vila Mea is modeled using the software Limitstate:RING. The software computes the resistance of the bridge by applying a modified version of the Kinematic theorem, initially formulated by Heyman. The reliability index of the undamaged structure is computed through the probabilistic analysis. Next, 5 typical damage scenarios are introduced into the bridge individually, and the reliability index for each of the 5 damaged structures is defined. By obtaining the reliability indexes of the damaged and undamaged structure, robustness of the bridge is assessed through the application of the 3 methods mentioned above. Results from each damage, as well from each method, are compared. The bridge of Vila Mea proved to be robust and the methods proved to be difficult to be compared amongst eachother.

As pontes em arco de alvenaria de pedra (PAAP) foram construídas para permitir que os seres humanos transpusessem cursos de água. A alvenaria, material durável e resistente, permitiu que as pontes suportassem as fortes cargas, à exposição ao clima e à passagem do tempo às quais estão submetidas. Até ao presente, várias PAAP encontram-se em utilização – e não foram intervencionadas – suportando cargas superiores às consideradas no seu dimensionamento; reforçando a sua robustez. O conceito de robustez despoletou interesse após o colapso do edifício Ronan Point na segunda metade do século XX. O colapso do edifício de vários andares – que resultou de uma única explosão de gás – originou o desenvolvimento do conceito de robustez como medida de proporcionalidade entre o dano inicial e respetivas consequências. Poucas décadas mais tarde, no início do século XXI, o colapso das Torres Gêmeas aumentou o interesse e investigação no desenvolvimento de métodos eficientes para avaliação da robustez. Embora vários métodos tenham sido propostos para avaliar a robustez, até hoje não existe uma decisão consensual sobre quais dos métodos desenvolvidos devem ser aplicados. A dissertação avalia e compara a robustez da ponte de Vila Meã através da aplicação de três métodos: i) redundância baseada em análises probabilísticas; ii) método de Frangopol e Curley; iii) método de Cavaco. Para calcular a robustez da ponte, os índices de fiabilidade da estrutura danificada e não danificada são determinados. Para determinar os índices de fiabilidade da estrutura danificada e não danificada, a ponte de Vila Mea é modelada através do software Limitstate: RING. O software calcula a capacidade de carga última da ponte aplicando uma versão modificada do teorema cinemático, inicialmente formulado pela Heyman. O índice de fiabilidade da estrutura intacta é calculado através métodos probabilísticos. Seguidamente, 5 cenários de dano típicos são considerados individualmente, e o índice de fiabilidade para cada uma das 5 estruturas danificadas é obtido. Ao obter os índices de fiabilidade da estrutura danificada e não danificada, a robustez da ponte é avaliada através da aplicação dos 3 métodos mencionados anteriormente. Os resultados de cada cenário de dano, bem como de cada método, são comparados. A ponte de Vila Meã apresentou ser robusta perante os cenários de dano estudados, enquanto que os métodos para avaliação da robustez estrutural revelaram-se difíceis de serem comparados entre si.

Kamienne kolejowe wiadukty o łukowym sklepieniu (KWLS) zostały pierwotnie skonstruowane, żeby umożliwić ludziom swobodne przemieszczanie się przez rzeki, i wszelkie inne wodne zbiorniki. Konstrukcjia mostu jest przykladem wytrzymałości; odporna jest na wszelkie czynniki klimatyczne a także upływ czasu. Zawalenie się budynku Roman Point w drugiej połowie dwudziestego wieku spowodowało zainteresowanie do koncepcji wytrzymałości. Wtedy zaczęła dojrzewać nowa koncepja traktująca wytrzymałość konstrukcji z uwzględnieniem skutków ewentualnej katastrofy. Tragiczne w skutkach konsekwencje zawalenia się Twin Towers w Nowym Jorku, zwłąszcza liczba ofiar i stopień zniszczeń, zpowodowały zainteresowanie w obliczeniu wytrzymałości konstrukcji. Podczas gdy wiele różnych metod zostało zaproponowanych w celu zmierzenia wytrzymałości, do dziś dnia nie ma concensusu co do wyboru które z tych metod są najwłaściwsze. Papierkowe wyliczenia i porównania wytrzymałości mostu Vila Mea dokonano używając trzech kryteriów: a) koncepcja probabilistycznej niezawodności b) koncepcja Frangopola i Curleya c) metoda Cavaco. Do obliczenia wytrzymałości mostu, porównanie zniszczonej konstrukcji do niezniszczonej konstrukcji musi być precyzyjnie określone. Aby określić stosunek niezniszczonej części mostu do zniszczonej, do modelu mostu Vila Mea użyto oprogramowania Limistate:RING. Program wylicza wytrzymałość mostu przez zastosowanie zmodyfikowanej teorii kinematycznej pierwotnie sformułowanej przez Heymana. Wskaźnik niezawodności jest wyliczany poprzez analizę prawdopodobieństwa. Następnie most zostaje testowany przez pięc podstawowych rodzajów katastrof i wzkaźnik wytrzymałości jest wyraźnie określony przez wskaźnik niezawodności zniszczonych do niezniszczonych części mostu. Wytrzymałość jest określona poprzez zastosowanie trzech metod wspomnianych powyżej. Rezultaty każdego rodzaju zniszczeń a także wyliczenia pochodzące z trzech metod zostają porównane. Most Vila Mea potwierdził swoją wytrzymałość a metody udowodniły swoją nieporuwnywalność.