Wooden pegs in the retrofit of timber constructions

Abstract

Observing the current panorama of historic buildings, the presence of a high number of timber structures is noteworthy, among those a consistent portion is in need of strengthening interventions due to different factors such as poor design or change of use. In the last decades the urgency of providing retrofitting technique suitable in matter of compatibility, durability and reversibility lead to a deep study of intervention strictly based on the use of timber. With this intention, the work presented here focused on the analysis of a retrofit method, based on dry connections, through an experimental campaign. Derivation of a traditional technique which is applied on the extrados of timber floors, the object of study here differs from it by the use of reinforcing planks connected on the side of the existing beam by means of timber pegs. In order to replicate what results most in use in the historic buildings in Portugal, beams of Chestnut (Castanea sativa Mill.) originally part of a set of historic timber floors, were here reinforced with planks of Pine (Pinus pinea) with the use of Massaranduba (Manilkara spp) fasteners. Mechanical properties of the adopted timber species were identified with local destructive tests and by reference to codes and existing literature. The main body of the experimental campaign was divided in a local scale, where the strength of the connection was tested through double shear tests, and global scale where the mechanical characteristic of bending strength and modulus of elasticity of two timber beams were identified and compared with the expected behaviour of an unreinforced element. The laboratory activity was then enriched by a statistic analysis aimed to find a correlation between the structural response of the results with the visual grading of the tested specimens. Although this work represents a first approach to the topic and further and deeper studies are required, the final results showed a positive performance as the test on the real scale elements confirmed what was found on the small scale. In the meantime, no direct relation was found between the visual grading carried out and the structural behaviour of the specimens analysed, meaning that the success of the strengthening technique is not influenced by the conditions of the existing structure, unless of very significant defects that even in that case can be mitigated by the presence of the strengthening planks.

Observando o panorama atual de edifícios históricos, destaca-se a presença de um elevado número de estruturas de madeira, dentro as quais uma quantidade significativa necessita de intervenções de reforço, devido a diferentes fatores, como a concepção deficiente ou a mudança de uso. Nas últimas décadas, a urgência de fornecer uma técnica de reabilitação adequada em termos de compatibilidade, durabilidade e reversibilidade leva a um estudo profundo de uma intervenção estritamente baseada no uso da madeira. Com esse intuito, o trabalho aqui apresentado teve como foco a análise de um método de reabilitação, baseado em conexões secas, através de uma campanha experimental. Derivação de uma técnica tradicional que é aplicada nos extrados de telhados de madeira, o objeto deste estudo difere no uso de tábuas de reforço liagadas no lado da viga existente por meio de cavilhas de madeira. De modo a replicar os resultados mais utilizados nos edifícios históricos de Portugal, as vigas de castanho (Castanea sativa Mill.) que faziam originalmente parte de um conjunto de pisos históricos de madeira, foram aqui reforçadas com tábuas de pinheiro (Pinus pinea) e com o uso de cavilhas de Massaranduba (Manilkara spp). As propriedades mecânicas das madeiras adotadas foram identificadas com testes locais destrutivos e por referência a normas e literatura existente. O corpo principal da campanha experimental foi dividido numa escala local, onde a força da ligação foi testada através de testes de corte duplo, e numa escala global onde as características mecânicas de resistência à flexão e módulo de elasticidade de duas vigas de madeira foram identificadas e comparadas com o comportamento esperado de um elemento não reforçado. A actividade laboratorial foi então enriquecida por uma análise estatística destinada a encontrar uma correlação entre a resposta estrutural dos resultados com a classificação visual dos espécimes testados. Embora este trabalho represente uma primeira abordagem ao tema e sejam necessários estudos adicionais e mais aprofundados, os resultados finais mostraram um desempenho positivo, já que o teste nos elementos da escala estrutural confirmou o que foi encontrado em pequena escala. Entretanto, não foi encontrada relação direta entre a inspeção visual realizada e o comportamento estrutural dos espécimes analisados, significando que o sucesso da técnica de reforçonão é influenciado pelas condições da estrutura existente, a menos que defeitos muito significativos sejam presentes, mas mesmo nesse caso, pode ser mitigado pela presença das tábuas de reforço.