Assessment of spandrel failure mechanisms in masonry arch bridges

In this work, the structural behaviour of masonry arch bridges is studied, with a particular focus on the assessment of spandrel failure mechanisms. In the literature, the most widely recognized collapse mode involves the barrel vault, characterized by the formation of four hinges (or five in the case of symmetric loading and geometry), leading to instability. In contrast, spandrel failure modes, such as sliding, tilting, or de-bonding of the spandrel wall, are less frequently addressed. These failures occur due to horizontal forces generated by infill pressure, which, when combined with a weak spandrel-vault connection, can result in collapse. To investigate these mechanisms, a series of finite element analyses are conducted using the software Abaqus, implementing the Concrete Damaged Plasticity model to capture the non-linear behaviour of masonry. Four bridge configurations are considered, and the analyses are performed with two different infill material assumptions: one modelling the infill as an elastic medium and another considering it as a non-elastic material. The results confirm that point loads represent a critical condition for the spandrel walls and that multiple failure mechanisms can occur. Finally, a comparison with limit analysis methods is carried out to evaluate their effectiveness in predicting these failure modes. The findings are also compared with previously analysed bridge cases, demonstrating consistency with prior results.

In questo lavoro viene studiato il comportamento strutturale dei ponti ad arco in muratura, con particolare attenzione alla valutazione dei meccanismi di collasso dei timpani (o muri di testa). Nella letteratura, il meccanismo di collasso più ampiamente riconosciuto riguarda la volta principale, caratterizzato dalla formazione di quattro cerniere (o cinque nel caso di carico e geometria simmetrici), portando all'instabilità. Al contrario, i meccanismi di collasso dei timpani come lo scorrimento, il ribaltamento o il distacco sono meno frequentemente considerati. Questi cedimenti si verificano a causa delle forze orizzontali generate dalla pressione del riempimento che, se combinate con un debole collegamento tra muro di testa e volta, possono portare al collasso. Due casi studio sono stati proposti: il ponte sul torrente Lomagna ed il ponte sul torrente Terdoppio. In questi casi è possibile osservare l'inizio e/o la propagazione dei meccanismi dei muri di testa. In letteratura questo argomento è poco affrontato, e non sono state effettuate campagne estensive di prove su questi tipi di collasso. Per indagare questi meccanismi, sono state condotte una serie di analisi agli elementi finiti utilizzando il software "Abaqus", implementando il modello "Concrete Damaged Plasticity" per catturare il comportamento non lineare della muratura. Sono state considerate quattro configurazioni di ponti e le analisi sono state eseguite con due diverse ipotesi per il materiale di riempimento: una modellazione del riempimento come materiale elastico e un’altra in cui è considerato un materiale non elastico. I risultati confermano che i carichi puntuali rappresentano una condizione critica per i muri di testa e che possono verificarsi diversi meccanismi di collasso. In fine è stato implementato un codice di analisi limite per valutare il carico ultimo di collasso del muro di testa. Una comparazione tra i risultati ottenuti dagli elementi finiti nel capitolo 3 e quelli ottenuti dal codice implementato per valutare l'efficacia di quest'ultimo nel prevedere questi tipi di collasso, dimostrando consistenza con i risultati ottenuti in precedenza.