Enhancement of the tube-jack non-destructive test method for historical structural masonry diagnosis

Abstract

Non-destructive testing techniques provide a means to obtain important characteristics of historical structural masonry without, or with minimal, damage to irreplaceable materials. Flatjack testing is a non-destructive test method that is traditionally used to determine the state of stress in masonry and deformable characteristics of unreinforced historical structural masonry. However, difficulty in interpreting the results of flat-jack tests in irregular masonry and the necessity to cut through historical masonry units during testing in irregular masonry has led to the need for an alternative method. Tube-jack testing is being developed at the University of Minho, as an alternative to flat-jack testing, that can be performed on traditional Portuguese masonry that contains large units and irregular mortar joints. The development of the tube-jack test method from a theory into a functioning test system is the aim of this thesis. Basic tube-jack prototypes were developed into a complete tube-jack test system that could be tested in masonry. The system was tested in three masonry walls, constructed with granite units and cement-lime mortar and with three different typologies, in the laboratory and compared with traditional flat-jack tests performed in the same specimens. Laboratory tests showed that the tube-jack test system was able to apply pressure to the masonry and perform complete tests. When compared with the flat-jack test method, the tube-jack test was more suited for large unit masonry with low strength mortar than the flat-jack was. Successful completion of the laboratory tests led to a numerical analysis phase where each of the tests was simulated and the effects of pressurizing the masonry in each test were analyzed. Important findings were made through these tests and numerical analyses, such as; performing the tests too close to each other or too close to edges of the walls affects the results, the Young’s modulus results depend on the percentage of mortar over which measuring devices measure, and the change in stress between two lines of tube-jacks or two flat-jacks, in the double tubejack and flat-jack tests, is less than the change in pressure applied to the masonry. Final testing of the tube-jack system in-situ on a historical masonry structure showed that the developed system and the procedural lessons learned resulted in a test method that could estimate the state of stress and deformability characteristics of the masonry with as much accuracy as the flatjack test but will less damage to the historical masonry. The tube-jack test method is a promising enhanced non-destructive test method that, through further research and development, will likely be able to provide an alternative to flat-jack testing for irregular and large unit masonry diagnosis.

As técnicas de ensaios não-destrutivos são um meio de fornecer importantes características estruturais das construções históricas em alvenaria, sem ou com um mínimo de dano induzido. O ensaio com macacos planos (Flat-jacks) é um método ligeiramente destrutivo, tradicionalmente usado para determinar o estado de tensão em paredes em alvenaria e a sua deformabilidade. No entanto, a dificuldade em interpretar os resultados destes ensaios quando são executados em alvenaria irregular, com grandes unidades e com a necessidade de cortar unidades, face à dificuldade de encontrar juntas regulares horizontais, levou à necessidade de desenvolver um método alternativo que superasse essas dificuldades. O ensaio com os Tubejacks, método que está a ser desenvolvido na Universidade do Minho, apresenta-se como uma alternativa para o ensaio com os Flat-jacks. Com um princípio de funcionamento semelhante, os Tube-jacks foram propostos para serem uma alternativa mais prática em paredes de alvenaria tradicional Portuguesa, formadas por grandes unidades e juntas de argamassa irregulares. O desenvolvimento do método de ensaio com os Tube-jacks, desde os seus princípios teóricos, até à sua aplicação prática, foi o principal objetivo da presente tese. Para tal, foram desenvolvidos vários protótipos do sistema que foram testados em laboratório em três paredes de alvenaria à escala 1:2, construídas com unidades de granito e argamassa à base de cal com pequenas percentagens de cimento, sob três tipologias diferentes. Nas mesmas paredes foram comparados com os resultados com os dos tradicionais Flat-jacks. Os ensaios em laboratório demonstraram que o sistema com os Tube-jacks foi capaz de aplicar pressão na alvenaria e de realizar ensaios semelhantes aos dos Flat-jacks. Quando comparado com o método tradicional, os Tube-jacks foram mais adequados para paredes de alvenaria com grandes unidades e argamassas com reduzida rigidez. Após os ensaios em laboratório foi realizada uma extensiva análise numérica, onde cada ensaio foi simulado para analisar a eficiência do método. Conjugando os resultados experimentais com os numéricos, importantes conclusões fora retiradas, tais como: a realização dos ensaios muito próximos uns dos outros ou muito perto dos bordos das paredes afetam os resultados; o módulo de elasticidade estimado com os métodos depende da percentagem de argamassa sobre a qual é medido a deformabilidade da parede; e a alteração do estado de tensão induzido na parede entre duas linhas de Tube-jacks ou de Flat-jacks é menor do que a variação desejada da pressão a aplicar na alvenaria. Posteriormente, o ensaio de Tube-jacks foi validado in situ numa construção histórica, permitindo demonstrar que o sistema desenvolvido e os procedimentos aprendidos durante as etapas anteriores poderão ser utilizados para estimar o estado de tensão e a deformabilidade em paredes de alvenaria com uma precisão da mesma ordem de grandeza que o ensaio com Flat-jacks, embora induzindo menos dano na construção histórica. O ensaio com Tube-jacks é um método de ensaio não destrutivo que, através de investigação complementar e desenvolvimentos futuros, será uma alternativa fiável aos ensaios com Flatjacks para o diagnóstico de paredes de alvenaria de pedra com grandes unidades e juntas irregulares.