Analysis of the behaviour of traditional carpentry joints: effects of extreme climatic conditions

Abstract

Timber frame architecture is an important part of European cultural heritage and is very common across the continent, as well as in other parts of the world. However, Europe’s cultural heritage is being lost not only because of natural decay and human interventions but also as a consequence of climate change and natural hazards. Considering the climatic changes occurring in Europe and around the world, it is important to understand better the behaviour of timber structures subjected to extreme climatic actions (such as floods and exposure to periodic heavy rains) since great alterations in moisture content, due to prolonged wetting, will lead to a reduction in the mechanical properties of the building. To preserve Europe’s heritage it is important to understand the influence of such actions, particularly since climatic changes led to an increase in the occurrence and intensity of extreme weather events. Timber joints significantly affect the mechanical performances of timber frame buildings, being the weakest points in the structure, and they effectively control their response, as they constitute their main dissipative elements. A great variability exists in terms of types of connections and mechanisms. Traditionally, timber frame buildings in Portugal (Pombalino buildings) mainly adopted half lap joints for the main connections of the walls (frontal walls). A comprehensive experimental campaign was carried out at the Laboratory of Structures at the University of Minho (Portugal) to investigate the cyclic response of unreinforced and reinforced traditional half lap joints after being subjected to simulated extreme weather conditions such as flood and wind driven rain cycles. The results of the pull-out test on the weathered connections were compared to the results obtained on sound samples in order to assess the extent in which extreme weather conditions influence the mechanical characteristics of the connection, the damage patterns resulted and the overall behaviour of the timber connection.

As estruturas tradicionais em madeira constituem uma parte importante do património cultural e construído em toda a Europa, sendo também muito frequente em outros países do mundo. Todavia, o património cultural europeu tem vindo a sofrer algumas perdas, não apenas por causa de intervenções humanas e envelhecimento natural, mas também como uma consequência das alterações climáticas e eventos extremos. Considerando as alterações climáticas que ocorrem atualmente na Europa e em todo o mundo, torna-se importante compreender o comportamento de estruturas de madeira tradicionais submetidas a condições climáticas extremas (tal como inundações e exposição a longos períodos de chuva e seca), dado que alterações na humidade, devido a ambientes húmidos e ambientes muito secos, potencialmente conduzem à redução das propriedades mecânicas das estruturas de madeira. Assim, para preservar o património construído ao nível europeu, é importante compreender a influência das condições climáticas e a sua variação no comportamento estrutural das estruturas de madeira, dado que as alterações climáticas se têm traduzido em eventos climáticos extremos sempre mais frequentes e com maior intensidade. Dado que o comportamento mecânico das estruturas de madeira tradicionais é muito dependente do desempenho das ligações, dado que estas concentram a capacidade de deformação e dissipação de energia, é importante obter mais conhecimento no que respeita ao comportamento destas quando sujeitas a condições ambientais varáveis. Existe uma grande variabilidade de ligações tradicionais. As estruturas de madeira utilizadas nos edifícios pombalinos (paredes de frontal) apresentam frequentemente ligações meia-madeira. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo central o estudo experimental de ligações tradicionais de madeira para analisar o comportamento cíclico a esforços de tração após estas terem sido submetidas a ciclos de molhagem e secagem (simulação de períodos extremos de chuva) e à situação de inundação. Os resultados obtidos nos ensaios de tração cíclica das ligações submetidas a condições ambientais extremas foram comparadas com os resultados obtidos previamente em ligações sujeitas a condições ambientais normais com o objetivo de avaliar o efeito das condições ambientais na resistência, rigidez e modos de rotura.

Arhitectura pe structură de lemn este o parte importantă a patrimoniului cultural european și este utilizată pe întregul continentul, precum și în alte părți ale lumii. Cu toate acestea, patrimoniul cultural al Europei se pierde nu numai din cauza degradărilor naturale și a intervențiilor umane, ci și din cauza schimbărilor climatice și a pericolelor naturale. Având în vedere schimbările climatice care au loc în Europa și în întreaga lume, este important să se cunoască mai bine comportamentul structurilor din lemn supuse unor acțiuni climatice extreme (cum ar fi inundațiile și expunerea la ploi abundente periodice), deoarece mari modificări ale conținutului de umiditate, din cauza umezirii prelungite , vor duce la o reducere a proprietăților mecanice ale clădirii. Pentru a proteja patrimoniul Europei este important să înțelegem influența unor astfel de acțiuni, în special deoarece schimbările climatice au dus la o creștere a intensității și frecvenței apariției condițiilor meteorologice extreme. Îmbinările de lemn afectează în mod semnificativ performanțele mecanice ale clădirilor pe structură de lemn, fiind cele mai slabe puncte din structură și ele controlează în mod eficient răspunsul lor, deoarece acestea constituie principalele elemente disipative. O mare variabilitate există în ceea ce privește tipurile de conexiuni și mecanisme. În mod tradițional, clădirile pe structură de lemn din Portugalia au adoptat în principal, îmbinările la jumătate pentru conexiunile principale ale pereților. Un studiu experimental a fost efectuată la Laboratorul de Structuri la Universitatea din Minho (Portugalia), pentru a investiga răspunsul ciclic al îmbinărilor tradiționale la jumătate întărite și normale, după ce au fost supuse unor condiții meteorologice extreme simulate, cum ar fi inundațiile și ciclurile de ploaie. Rezultatele testelor pe conexiunile alterate de intemperii au fost comparate cu rezultatele obținute pe mostre nealterate, în scopul de a evalua măsura în care condițiile meteorologice extreme influențează caracteristicile mecanice ale conexiunii, degradarile rezultate și comportamentul general al îmbinărilor de lemn.