Paradigmatic masonry historical bridge: from parametric model to 3D nonlinear analysis

Numerous methodologies have been proposed in the literature to advance preliminary structural analyses of fragile structures—such as masonry. This thesis presents a modeling strategy for the evaluation of the nonlinear behavior of curved masonry structures. The proposed framework combines parametric meshing with homogenization assumptions to create a nonlinear numerical model. A paradigmatic case study, the famous Trepponti bridge in Comacchio, Italy, is modeled based on an in-situ geometrical survey from which a high-fidelity 3D surface of the central vaults and perimeter arches is defined in commercial software. From this foundation, a macro-modeling approach is chosen to define a continuous quadrilateral homogeneous mesh, given the vaults' complexity. Consequently, the nonlinearity is modeled using materials that exhibit a Mohr-Coulomb failure criterion to allow for dissipation at the interface of the blocks. This procedure has proven to be a robust numerical method in the nonlinear field and can be used for a rapid and preliminary structural analysis of very complex vaults. The bridge's behavior was studied under the application of its self-weight in the first stage of the research, and it was then tested under soil settlement of the foundation piers. The ground connection is particularly critical due to the lagoon context in which the city was built. Furthermore, to gather extensive information on multiple settlement scenarios, each pier was analyzed with an independent settlement. The collected results provided valuable insights into the critical zones of the structure, highlighting areas where more in-depth analyses are necessary, with the potential to integrate the intrinsic heterogeneity of the vault in future work.

Numerose metodologie sono state proposte in letteratura per l'avanzamento di analisi preliminari di strutture potenzialmente molto fragili—come strutture in muratura curva. Questa tesi presenta una strategia di modellazione per la valutazione del comportamento in campo non-lineare di strutture in muratura curva. Il quadro metodologico proposto combina una mesh parametrica con le ipotesi di omogeneizzazione per costituire un modello numerico non-lineare. Un caso di studio paradigmatico, il famoso Ponte dei Trepponti a Comacchio, in Italia, è stato modellato a partire da un rilievo geometrico condotto in situ, dal quale è stata definita una superficie 3D ad alta fedeltà delle volte centrali e degli archi perimetrali. A partire dal rilievo tridimensionale accurato, è stato scelto un approccio di macro-modellazione per definire una mesh continua quadrilatera ed omogenea. Di conseguenza, la non-linearità è stata modellata utilizzando materiali che esibiscono un criterio di rottura Mohr-Coulomb per consentire la dissipazione all'interfaccia dei blocchi. Questa procedura si è dimostrata un metodo numerico robusto nel campo non-lineare e può essere utilizzata per l'analisi strutturale rapida di volte molto complesse. Il comportamento del ponte è stato studiato sotto l'applicazione del suo peso proprio nella prima fase della ricerca, ed è stato poi sottoposto a cedimenti del terreno dei piedritti di fondazione. Il collegamento a terra è particolarmente critico a causa del contesto lagunare in cui la città è stata costruita. Inoltre, con l'obiettivo di raccogliere informazioni esaustive su molteplici scenari di cedimento, ogni piedritto è stato analizzato con un cedimento imposto in maniera indipendente. I risultati raccolti hanno fornito preziose informazioni sulle zone critiche della struttura, evidenziando le aree dove sono necessarie analisi più approfondite, con la possibilità di integrare in futuro l'intrinseca eterogeneità della volta.