Fatigue assessment of riveted connections in old metallic bridges

Abstract

This thesis aim to extend the interpretation of data collected from experimental tests developed to analyze the fatigue phenomena on the material and on riveted connections obtained from old Portuguese metallic bridges. The analysis of the results is made following a conventional point of view (i.e. by considering the statistical models proposed in actual codes) and by following probabilistic fatigue models (i.e. modern interpretational proposals, such as Tara and Grainer model, and Castillo and Fernández-Canteli model). The metallic bridges addressed in the analysis were built in the late nineteenth and early twentieth centuries and have now become important historical heritage. The main materials used at that time were steel and puddle iron. There is an increasing interest of governmental agencies for their conservation and maintenance, not only for their historical value, but also for being structures that are still in use. These bridges were designed for a very different scenario of cars and trains flow than the one that is being used nowadays. Due to this situation, the materials and connections that exist in these bridges may be prone to suffer failure. An important phenomenon, not always well known by engineering designers, is fatigue. Such phenomenon was only studied in the twentieth century. The fatigue failure is a problem in steel bridges, due to the likelihood of the steel to deteriorate under variable stresses. Fatigue is recognised as the major cause of failure in metallic bridges. In due time, the technical community became aware of the phenomena and studies were developed so that it is now possible to find a treatment of fatigue life of structural details in the European, British and North American standards, such as, Eurocode 3, BS 5400 and AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. The approaches proposed by these codes are based in the S-N curves and related to the total number of cycles to failure and the applied stress range. However, the fatigue resistance of riveted shear connections is not directly mentioned in the referred codes. In the present work, a statistical analysis based on experimental data collected in fatigue tests previously performed by others authors, is developed. The main objective is to obtain characteristic S-N curves for riveted joints as well as design fatigue curves for several fatigue damage parameters for materials, calibrated for old Portuguese metallic bridges. The statistical analysis will be achieved with the used of ASTM E 739–91 American Standard and probabilistic fatigue model proposed by Castillo and Fernández-Canteli. The experimental results are compared to the characteristic S-N curves obtained by applying a statistical analysis.

A tese visa a interpretação de testes obtidos através de dados experimentais do fenômeno da fadiga em rebites em antigas pontes metálicas portuguesas. A análise dos resultados foi realizada através de modelos convencionais (como os propostos por códigos e normas) e com modelos probabilísticos voltados à fadiga (como propostas modernas de interpretação, o modelo de Tara e Grainer, e o modelo de Castillo e Fernández-Canteli). As pontes metálicas construídas no final do século XIX e início do século XX tornaram-se patrimônio histórico importante. Assim, despertando o interesse das agências governamentais para sua conservação e manutenção. Não somente pelo valor histórico que estas representam, mas também por serem pontes que ainda em uso. No entanto, estas pontes foram projetadas para situações muito diferente para as quais são usadas no presente. O fluxo de carros e comboios são diferentes para o qual as pontes foram originalmente projetadas. Devido a esta situação, os materiais e conexões presentes nestas apresentam ruptura. A fadiga é fenômeno importante, porém desconhecido pelos engenheiros projetistas da época. O fenômeno só foi ser estudado no século XX. O principal material usado naquela época era ferro e aço. As rupturas causadas pela fadiga são preocupantes em pontes feitas de aço, já que quando submetidas a tensões variáveis há probabilidade de deterioração tanto do material como das conexões. Assim, o fenômeno da fadiga é apontado como uma das principais causas de falhas e rupturas em pontes metálicas. Por tanto, foram desenvolvidos métodos para avaliação e tratamento da vida à fadiga em estruturas e conexões metálicas foram normalizadas em códigos europeus, britânico e norte americano, como o Euro código 3, BS 5400 e as especificações de projeto de pontes AASHTO. As abordagens são baseadas nas curvas S-N e relacionada ao número total de ciclos para a ruptura na faixa de tensões estudada. Mas a resistência à fadiga ao cisalhamento de rebites não é mencionada nos códigos mencionados. Nesta tese, será apresentada uma análise estatística dos dados experimentais obtidos em testes experimentais de fadiga previamente realizados por outros autores. O objetivo principal é obter curvas S-N características para conexões rebitadas e para os materiais presentes nas antigas pontes metálicas portuguesa aqui em estudo. A análise estatística será realizada com o auxílio do código norte americano ASTM E 739-91 e modelo de fadiga probabilístico proposto por Castillo e Fernández-Cantelo. Os resultados experimentais utilizados neste estudo serão comparados com as curvas S-N características obtidas pela aplicação das análises estatísticas consideradas.