A study of test data for an informed assessment of old metallic structures and early reinforced concrete structures

Abstract

Over the course of the 19th century, structural framing was dominated first by cast iron, then wrought iron and finally steel. Many steel/iron constructions (buildings and bridges) of the 19th century and early 20th century belong to the cultural heritage of historical monuments. At the end of the 19th century the reinforced concrete was also invented. This composite material was rapidly a success due to its low cost and plastic component, from the architectural point of view. The strength of existing iron and steel structures, or early reinforced concrete structures needs to be considered in relation to the standards in force at the time of original construction, although with extensive testing it may be possible to justify an increase in the allowable stresses specified at that time. In metallic structures or reinforced concrete structures that were built between 1800 and 1940, the material parameters are in many cases not available. The knowledge on the material properties of existing structures is essential for the resistance assessment and for the determination of the remaining lifetime of these structures. In the context of this dissertation, material properties of wrought iron, cast iron and steel used in various structures are investigated. Several experimental tests on wrought iron, cast iron and steel elements used in 19th and 20th century metallic and reinforced concrete structures have been done in different countries in order to analyze their chemical and mechanical properties. Collecting historical test results and recent test data obtained in experimental works gives a better understanding of the average values of properties of metallic materials. This work is complemented with the experimental testing performed on steel reinforcement collected from an old reinforced concrete Portuguese bridge, built according to the Hennebique technique. Several test specimens are prepared from a steel bar sample collected in the bridge. A tensile test is done on each specimen and mechanical properties such as stiffness and strength, as well as the stress-strain curve are measured.

No decorrer do Séc. XIX, os elementos estruturais mais usuais foram inicialmente realizados com ferro fundido, mais tarde com ferro forjado e por fim, já perto do final do século e no início do Séc. XX, em aço. Muitas das construções (edifícios e pontes) realizadas nessa altura fazem agora parte da herança cultural comum e algumas delas são monumentos históricos. No final do Séc. XIX, foi também inventado o betão armado. Este material tornou-se rapidamente num sucesso devido ao baixo custo e plasticidade, capaz de proporcinar novos desafios arquitectónicos. A capacidade resistente de estruturas metálicas ou estruturas de betão armado antigas deve ser avaliada tendo em consideração os regulamentos vigentes à data da sua construção. No entanto, com base em resultados de ensaios experimentais, é possível justificar um aumento nas tensões máximas admissíveis à data de construção. Nas estruturas metálicas construídas entre 1800 e 1940 ou nas estruturas de betão armado construídas no início do Séc. XX, os parâmetros definidores do comportamento dos materiais são em muitos casos desconhecidos. A caracterização dos materiais utilizados nessas estruturas é essencial para a avaliação do seu estado atual e para a determinação da sua vida útil restante. No âmbito da presente tese, são analisadas as propriedades dos seguintes materiais metálicos utilizados em diversas estruturas construídas no final do Séc. XIX e início do Séc. XX, em diversos países: ferro fundido, ferro forjado e aço. São recolhidos resultados obtidos em ensaios de caracterização química e mecânica realizados com provetes dos materiais referidos. A recolha deste tipo de resultados, obtidos tanto na época em que as estruturas foram construídas como mais recentemente, permite obter um melhor conhecimento acerca dos valores médios dos parâmetros mais importantes para o comportamento dos materiais em estudo. O trabalho desenvolvido é complementado com a realização de ensaios de caracterização mecânica realizados sobre provetes executados a partir de varões de aço recolhidos numa ponte portuguesa de betão armado, construída no início do Séc. XX segundo a técnica Hennebique. São testados vários provetes, sendo possível avaliar propriedades do aço como a rigidez e a resistência à tração. Também é medida completamente a curva de tensão-extensão.

چکیده در این پایان نامه ویژگی های فولاد چدن و آهن استفاده شده در سازه های مربوط به سده های گذشته مورد بررسی قرار میگیرد. بدلیل استفاده زیاد آهن و فولاد در سازه های ساخته شده بعد از انقلاب صنعتی بسیاری از این سازه ها که در حال حاضر متعلق به میراث فرهنگی میباشن در معرض خطر میباشند. با پیشرفت روشهای ساخت آهن و فولاد در سده های نوزدهم و بیستم این مواد و مصالح فلزی به میزان زیاد در ساخت سازه ها مرد استفاده قرار گرفتند.در بیشتر سازه های فلزی قرن نوزدهم ویژگی های مکانیکی مصالح فلزی قابل اندازه گیری نبوده و داده های بسیار کمی از ویژگی های این مصالح در دسترس است.بدلیل اینکه بیشتر این سازه های فلزی در زمانی ساخته شده اند که قبل از گردآوری استانداردهای ساخت بوده است و داده های موجود در شرکت ها در دسترس است بنابراین بررسی بیشتر ویژگی های آهن و فولاد استفاده شده در سازه های سده های قبلی ضروری میباشد. آزمایشهای آزمایشگاهی بسیاری بر روی چدن آهن و فولاد استفاده شده در سازه های فلزی و بتن آرمه سده های نوزدهم و بیستم به منظور ارزیابی ویژگی های فیزیکی شیمیایی و مکانیکی این مصالح صورت گرفته است.نتایج این آزمایش ها به منظور مقایسه با سازه های فولادی و بتنی جدید مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در این پایا نامه یک بررسی موردی بر روی ویژگی های شیمیایی و مکانیکی میلگردهای فولادی بکاررفته در یک پل بتن آرمه ساخته شده با سیستم هنبیک در پرتغال مورد ارزیابی قرار گرفته است.ویژگی های شیمیایی و ترکیب شیمیایی یک نمونه میلگرد با تکنیک میکروسکوپ الکترونیک بررسی شده است. با انجام آزمایشهای کششی بر روی نمونه های مختلف میگرد ویژگی های مکانیکی از جمله کرنش مقاومت نهایی تنش مدول الاستیسیته تنش تسلیم و نمودار تنش-کرنش مورد ارزیابی قرار قرار گرفته است.نتایج این آزمایشها میتواند در نهایت با نمونه های مشابه ساختمان های ساخته شده در سده نوزدهم و بیستم مورد مقایسه و ارزیابی قرار بگیرد.