Safety evaluation of old timber structures

Tese de doutoramento em Engenharia Civil (ramo de conhecimento em Estruturas)A crescente consciencialização por parte da população da necessidade de preservação do património arquitectónico, associada ao incremento de pressão por parte dos agentes políticos e sociais na requalificação e reabilitação do edificado construído, conduziram a que na última década se tenha assistido a um renovado interesse na avaliação do estado de segurança de estruturas existentes, de modo a quantificar eventuais intervenções de reforço. Neste âmbito, a avaliação da segurança de estruturas antigas de madeira (elemento abundante em estruturas anteriores a 1950) é um grande desafio, devido ao comportamento diferido da madeira e à complexidade estrutural verificada em algumas estruturas antigas. Este trabalho pretende ser um contributo nesta área. Com esse propósito desenvolveram-se métodos de caracterização geométrica e mecânica de estruturas de madeira existentes, nomeadamente através de uma série de levantamentos geométricos a estruturas históricas, que permitiram estabelecer padrões de variabilidade geométrica. No que diz respeito à caracterização mecânica, foi desenvolvido e calibrado um método semi-destrutivo de avaliação das propriedades mecânicas da madeira constituinte dos elementos estruturais, com o objectivo de determinar algumas propriedades mecânicas fundamentais, como o módulo de elasticidade longitudinal e a tensão de rotura à tracção. A calibração da metodologia proposta realiza-se para peças de pinho bravo (Pinus pinaster Ait.) e para peças de castanho (Castanea sativa Mill.), estudando-se ainda uma relação empírica global, ou seja, abrangente às várias espécies em estudo. No âmbito da caracterização mecânica da madeira, são ainda apresentados os primeiros resultados relativos à influência da degradação biológica provocada por fungos nas propriedades mecânicas da madeira, relativos a estados incipientes de degradação. Numa outra vertente deste trabalho, procedeu-se à implementação computacional de técnicas probabilísticas para aferição da segurança estrutural, dado estas serem mais adequadas do que os métodos semi-probabilísticos habituais para avaliação do estado de segurança de estruturas existentes. As técnicas probabilísticas consideram de forma explícita a variabilidade inerente a cada grandeza interveniente no problema. Com o software desenvolvido, foram estudadas três estruturas: uma relativa a uma cobertura, outra relativa a um frontal pombalino e uma terceira relativa a um pavimento de madeira. Os resultados obtidos permitiram avaliar não só o estado de segurança dos seus elementos constituintes mas também apontar aqueles elementos em que uma intervenção de reforço seria mais vantajosa em termos de incremento da segurança global da estrutura.The general awareness of the society about the need of preserving architectural heritage, together with the growing political and social pressure for rehabilitation of existing buildings led to a renewed interest in safety assessment of existing structures in the last decade, in order to quantify possible retrofitting interventions. In this context, safety assessment of old timber structures (an abundant material in structures prior to the 1950’s) is an important issue, due to the long term behaviour of wood and the structural complexity found in some older constructions. This work intends to be a contribution to this research area. With this purpose, methods for geometric and mechanical characterization of existing timber structures are presented, namely geometric surveys in historic structures, which enabled the establishment of patterns for geometric variability. Regarding the mechanical characterization of existing timber structures, a semi-destructive method for evaluation of mechanical properties in existing timber was developed and calibrated, in order to access some basic mechanical properties such as modulus of elasticity and tensile strength. The calibration of the proposed methodology is carried out for maritime pine (Pinus pinaster Ait.) and chestnut (Castanea sativa Mill.), being also suggested a global relationship for both species. Within this subject, the first results of an experimental study are also presented, aiming at studying the influence of fungal decay in the mechanical properties of wood, namely for incipient decay. Another aim of the current work regards the implementation of computational routines to achieve probabilistic modelling of structural safety, a method that takes into account in an explicit way the randomness of variables. The developed software was used to study three structures: a simple roof truss, a Pombaline wall («gaiola») and a wooden floor. The results obtained allowed the establishment of the safety condition for each structural member and, in addition to that, to point out the most effective element to retrofit, in order to increase the global structural safety.Dissertação elaborada em colaboração com o Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil pela Universidade do Minho no âmbito do protocolo de cooperação com o LNE