Numerical analyses for the prediction of the splitting strength of beams loaded perpendicular-to-grain by dowel-type connections

The paper presents a parametric numerical study on the splitting strength of timber beams loaded perpendicular-to-grain by dowel-type connections. The main aims of the numerical investigations are: (1) find out the influence of main connection parameters on the splitting strength of beams; (2) compare the above evaluated influences with the ones proposed by the first author in a recently developed semi-empirical prediction formula. The first part of the paper presents the mentioned new semi-empirical prediction formula which has been developed by means of a survey on experimental data from literature. The formula is presented in its main aspects and later its prediction capability is discussed and compared with the ones of formulae embodied in new European and German design codes for timber structures. The second part of the paper reports the main results of parametric numerical analyses carried out in the framework of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) by means of a crack propagation approach. The analyses are performed on beams of different size loaded at mid-span by both single and multiple dowel connections. The main investigated parameters are the connection width (l _r), the connection depth (h _m), and the number of rows of fasteners (n). They are analysed for different beam heights (h) and for different distances of the most distant row of fasteners from beam loaded edge (h _e). The numerical results are compared with available experimental test data and with the relationships embodied in the above-mentioned semi-empirical prediction formula.

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Résumé L’article présente les résultats d’une étude numérique paramétrique qui analyse la résistance à la fissuration de poutres en bois chargées perpendiculairement aux fibres de connexions, avec des connecteurs cylindriques. Le but principal de cette étude numérique est: (1) déterminer l’influence des paramètres principaux des connexions sur la résistance à fissuration des poutres; (2) comparer les résultats obtenus avec les résultats proposés par Ballerini dans une formule récente de prédiction semi-empirique. La première partie de l’article présente la formula citée de prédiction semi-empirique développée sur base d’une analyse des données expérimentales disponibles dans le texte. La formule est illustrée dans ses aspects principaux et par la suite sa capacité prévisible est comparée avec celle des formules adoptées par les récentes normes européennes et allemandes pour les structures en bois. La seconde partie de l’article reprend les principaux résultats de l’analyse numérique paramétrique développés dans le domaine de la Mécanique de la Fracture Linéaire Elastique (LEFM) à l’aide d’analyses avec propagation de fissure. Les analyses concernent des poutres de différentes dimensions chargées en ligne de connexions avec un ou plusieurs connecteurs cylindriques. Les paramètres principaux étudiés sont la largeur (l_r), la hauteur (h_m) et le nombre de lignes des connecteurs (n) de la connexion. Les analyses concernaient des poutres de différentes hauteurs (h) et placés à différentes distances par rapport au bord des poutres de la ligne des connecteurs plus éloignée (h_e). Les résultats numériques sont comparés avec les données expérimentales disponibles et les études prévues par la formule citée de prédiction semi-empirique.

     

The impact-echo response of concrete plates containing delaminations: numerical,experimental and field studies

This paper describes the use of the impact-echo technique— a non-destructive testing technique based on the use of transient stress waves— for detecting delaminations in concrete plate-like structures such as bridge decks, slabs, and walls. Results obtained from numerical (finite element) analysis and controlled-flaw laboratory studies are presented and used to explain the elastic impact response of delaminated plates. Current impact-echo instrumentation is described, and results obtained from concrete bridge decks containing delaminations caused by corrosion of reinforcing steel are presented. These results provide a better understanding of the impact response of delaminated plates.

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Resume On décrit ici l’utilisation de la technique impact-écho-méthode d’essai non destructive basée sur l’utilisation d’ondes de pression acoustique transitoires-pour détecter les clivages dans des plaques de béton, telles que tabliers de pont, poutres et murs. On présente les résultats fournis par les méthodes numériques (élément fini) et l’étude en laboratoire sur éprouvette fissurée témoin, qui sont utilisées pour expliquer la réponse élastique à l’impact des plaques détériorées. On décrit l’appareillage courant et l’on expose les résultats obtenus sur des tabliers de ponts en béton qui présentent des clivages dus à la corrosion de l’armature. Ces résultats contribuent à mieux faire comprendre la réponse à l’impact de plaques détériorées.

     

State-of-the-art report

In-situ distortion of fibrous-cement slates is brought about by exposure to different temperature and hygrometric gradient across the material. The aim of the research was to understand in detail the effect of each composition change on the physical properties, and to use this knowledge for the manufacture of slates which would exhibit better mechanical properties. The present research has concentrated on measuring the physical parameters controlling moisture transfer. A second paper (in preparation) shall use these experimental results in a numerical model to simulate moisture movements. The key physical parameters measured include: porosity, saturated permeability, vapour diffusivity and the suction-moisture content relationship. The experimental results show clearly the effects of various treatments (painting the slate, adding additional layers, replacing the fibres, slate compaction) on the physical properties.

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Résumé Les déformations locales dans les ardoises de fibro-ciment peuvent être engendrées par l’existence de gradients de température et d’hygrométrie au sein du matériau. Le but de ce travail est de comprendre en détail l’effet des modifications de composition des ardoises sur leurs propriétés physiques et d’utiliser ces connaissances dans la fabrication d’ardoises présentant de meilleures propriétés mécaniques. Le travail présenté dans cet article est axé sur létude et la mesure des paramètres physiques influant sur les transferts d’humidité. Dans un second article (en préparation) nous présenterons l’élaboration et l’exploitation d’un modèle numérique apte à décrire les phénomènes étudiés. Les paramètres pertinents sont: porosité, perméabilité saturée, succion et perméabilité en fonction de l’humidité relative. Les résultats expérimentaux montrent clairement l’effet des traitements subis par les ardoises (peinture de la surface, ajout d’une couche minérale supplémentaire, remplacement de l’amiante par d’autres fibres, compactage des ardoises) sur leurs propriétés physiques.

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Editorial note A. Raoof is working at the Laboratoire des Matériaux et des Structures (LCPC) France, which is a RILEM Titular Member. A. Sabouraud is working at Pont-⦏-Mousson SA, France, which is a RILEM Titular Member.     

Mechanical behaviour of corroded reinforced concrete beams—Part 2: Bond and notch effects

This paper deals with the effect of steel cross-section and bond strength reduction on the mechanical behaviour of corroded RC-beams. In the case of corroded reinforced concrete members, those effects are always coupled and a previous study (part one) has shown that it is not realistic to forecast the behaviour of corroded beams merely in terms of steel cross-section reduction. The object of the study is thus to understand the separated and coupled effects of the reduction in bond strength and steel cross-section. These investigations are carried out in order to be able to model the behaviour of corroded structural members and to predict how and when repairing is necessary. Different experimental simulations of corrosion were made. The results show the significant impact of coupling between reduction of bond strength and steel cross-section.

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Résumé Cet article traite de l’influence de la réduction de section d’acier et de l’adhérence acier béton en partie tendue sur le comportement mécanique des poutres corrodées. L’étude précédente (partie 1) semble montrer qu’il n’est pas réaliste de vouloir prédire le comportement mécanique des éléments de structures corrodées en ne tenant compte que de la réduction de section des aciers tendus. Par conséquent, l’objectif de ce travail est de mieux comprendre et quantifier les effets couplés et découplés de ces deux paramètres. Pour cela, plusieurs simulations expérimentales des effets de la corrosion ont été réalisées sur poutres ou sur échantillons d’armature non corrodés. Les expérimentations mécaniques sont réalisées en service et à rupture. Les résultats obtenus confirment largement qu’une prédiction réaliste du comportement mécanique résiduel en service des poutres corrodées, ne sera obtenue qu’en prenant en compte de l’effet couplé de la réduction de section d’acier et de l’adhérence acier béton en partie tendue.

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Editorial Note Prof. Ginette Arliguie is a RILEM Senior Member. She works at LMDC (Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions), a RILEM Titular Member.     

Effect of curing conditions and concrete mix design on the expansion generated by delayed ettringite formation

Many studies have shown the effect of different parameters on the expansion induced by delayed ettringite formation (DEF), but there is not yet a general agreement on their relative effects due to discrepancies on experimental results generally attributed to different experimental conditions. The aim of this study is to assess the coupling effects between some of the main parameters of this reaction using the experimental design method. The main interactions concern two factors: temperature and duration of heating during curing. Each interaction has been subjected to statistical tests in order to be validated. The resulting empirical models can reflect the experimental fields and therefore provide useful information about the risk of expansion related to␣DEF, knowing the temperature and the duration of curing, the alkali content of the concrete, the aggregate nature and the water to cement ratio.

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Résumé De nombreuses études ont montré l’influence de différents paramètres sur les expansions induites par la formation différée de l’ettringite (DEF). En raison des divergences de résultats attribuées à des conditions expérimentales différentes, il n’existe pas d’accord unanime sur l’effet de ces paramètres. L’objectif de cette étude consiste à étudier les couplages entre certains des principaux paramètres de cette réaction par la méthode des plans d’expériences. Les principales interactions concernent la température et la durée de l’échauffement. Chaque interaction a subi un test statistique afin d’être validée. Les modèles empiriques déterminés peuvent reproduire le champ expérimental étudié et ainsi fournir des informations pertinentes sur les risques d’expansion attribuée à la DEF, à partir de la connaissance de la température et de la durée de l’échauffement, la teneur en alcalins du béton, la nature des granulats et le rapport E/C.

     

Benefits of timber-concrete composite action in rural bridges

Timber-concrete structures can be applied to bridge superstructures of vicinal roads with innumerable advantages in relation to the usual structures made of timber or reinforced concrete. This paper presents both an experimental analysis and a theoretical study on models of bridges with timber and concrete composite structures whose systems of connections composed by nails or screws are semi-rigid. The experimental procedure consisted basically of bending tests in three panels, representing a bridge prototype to evaluate the performance structural. Besides this, in order to define the slip modulus shear tests in small specimens were performed. The theoretical study was based on differential equations developed from the equilibrium of forces and the compatibility of displacements and these results were compared to the Finite Element Method. From this analysis, it can be concluded that the timber-concrete composite structures have favorable perspective of application in this type of civil construction.

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Résumé Des structures en bois et en béton peuvent être appliquées à des superstructures de ponts de routes secondaires, offrant plusieurs avantages par rapport aux structures habituelles faites de bois de construction ou de béton armé. Cet article présente une analyse expérimentale et une étude théorique sur des modèles de ponts avec des structures composées en béton et en bois. Les systèmes des connexions sont composés de clous ou de vis et sont analysés comme semi-rigides. Le procédé expérimental consiste fondamentalement en des essais de pliage dans trois panneaux, représentant un prototype de pont afin d'évaluer l'exécution structurel. En plus de cela, de petits spécimens sont cisaillés pour définir le module de glissade. L'étude théorique est basée sur des équations développées à partir d'équilibre des forces et de la compatibilité du déplacement et ses résultats sont comparés avec la méthode des éléments finis. De cette analyse, il se peut être conclu que les structures composées de bois et de béton de construction ont un bel avenir pour les applications de construction civile.

     

Development of a confined model for rectangular ordinary reinforced concrete columns

In order to estimate the flexural behaviour of reinforced concrete members, the stress–strain behaviour of the constituent materials must be well established. The behaviour of confined concrete is important to the designer in order to determine the quantity of the confining steel required in reinforced concrete column sections to achieve the ultimate curvatures required in seismic design for ductility. The objective of this study is to develop an analytical model for the confinement mechanism in rectangular reinforced concrete columns. The proposed model was established on the basis of the observations derived from several experimental studies conducted in past years and encompasses some features of already established models. The main variables examined in the model include the volumetric ratio of lateral reinforcement, the characteristics of steel and concrete and the effectiveness confinement coefficient. The comparison with other existing models illustrates the validity of the proposed equations.

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Résumé L’issue fondamentale permettant de définir la capacité flexionnelle des éléments en béton armé est la connaissance des lois contraintes déformations des matériaux constitutifs. Le comportement du béton confiné est donc l’élément capital qui devra permettre au concepteur d’estimer, par utilisation de l’armature transversale, la ductilité de courbure exigée pour une demande de ductilité désirée. L’objectif de cette étude est de développer un modèle analytique tenant compte du mécanisme de confinement dans les poteaux en béton armé. Le modèle est basé sur une analyse rigoureuse de modèles analytiques existants et une exploitation de données expérimentales réalisées durant les deux dernières décennies. L’étude a pris en considération l’influence des différents paramètres, notamment le rapport volumétrique des aciers transversaux, les caractéristiques mécaniques de l’acier et du béton et le coefficient efficace de confinement. La comparaison avec d’autres modèles existants confirme la validité des équations proposées.

     

Drying induced moisture losses from mortar to the environment. Part II: numerical implementation

This paper presents a novel methodology to appropriately account for boundary conditions in numerical analyses of moisture fields in cementitious materials. The proposed methodology consists of using experimentally obtained moisture emissivity coefficients together with the vapour pressure difference between the environment and the exposed surface (based on the average surface humidity content). The performance of such methodology (implemented on DuCOM, a computational code suitable for calculation of moisture/temperature fields in cementitious materials) is evaluated by comparing the numerical predictions with the experimental results presented in the Part I companion paper. Influences of the many environmental conditions reported in Part I are investigated for validation of the proposed numerical methodology: temperature, relative humidity, wind speed and age of exposure of specimens. Furthermore, an additional numerical formulation for inclusion of the effect of evaporative cooling, based on the computation of additional heat fluxes induced by evaporative moisture losses, is presented, together with a validation example. Finally, two numerical sensitivity analyses are put forward for clarification of the relative importance of the parameters involved in moisture loss from cementitious materials, as well as the relevance of the evaporative cooling.

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Résumé Cet article présente une nouvelle méthodologie afin de mieux tenir compte des conditions limites lors d’analyses numériques des champs d’humidité dans les matériaux cimentaires. La méthodologie proposée consiste à utiliser des coefficients d’émissivité d’humidité obtenus expérimentalement associés avec la différence de pression de vapeur entre l’environnement extérieur et la surface exposée du béton (basée sur le contenu moyen de l’humidité à la surface). La validité de cette méthodologie (intégrée dans un logiciel de calcul des champs d’humidité et de température des matériaux cimentaires—appelé DuCOM) est évaluée en comparant les prédictions aux résultats expérimentaux rapportés dans l’article précédant (partie 1). Les influences des nombreuses conditions environnementales rapportées dans la partie 1 y sont vérifiées et validées, notamment: la température, l’humidité relative, la vitesse du vent et la durée d’exposition des spécimens. En outre, une formulation numérique additionnelle pour inclure l’effet du refroidissement par évaporation (basée sur le calcul des flux de chaleur additionnels induits par évaporation) est présentée et validée avec un exemple. En conclusion, deux analyses de sensibilité sont présentées pour clarifier l’importance relative des paramètres impliqués dans la perte d’humidité des matériaux cimentaires et pour démontrer la pertinence de l’influence du refroidissement par évaporation.

     

Ultrasonic and laser measurements in structural contact problems

This paper deals with two experimental techniques recently set up by the authors which enable the study of contact problems between elastic bodies. The more widely used experimental techniques for determining the response of elastic bodies in unilateral contact include moiré fringes, holography and photoelasticity. The experimental techniques proposed here utilize either the ultrasonic pulse transit time method or the laser beam intensity method. Both techniques are applied to measure the relative displacements and the contact area of beam and plate models in unilateral contact with an elastic half-space model. The experimental results, compared with those obtained by numerical analysis, show the efficiency and validity of the measurement techniques proposed.

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Resume Cet article traite de deux techniques expérimentales récemment mises au point par les auteurs, qui permettent d’étudier les problèmes de contact entre corps élastiques. Les techniques expérimentales les plus largement utilisées pour déterminer la réponse des corps élastiques dans le contact unilatéral sont la méthode du moiré, l’holographie et la photoélasticité. On propose ici deux méthodes expérimentales: l’une par la mesure du temps de réflexion ultrasonique, l’autre par la mesure de l’intensité d’un rayon laser. On applique les deux techniques à la mesure des déplacements relatifs et de la surface de contact entre des modèles de poutre et de plaque en contact unilatéral avec un modèle de semi-espace élastique. Les résultats experimentaux, quand on les compare avec ceux obtenus par analyse numérique, montrent l’efficacité et la validité des techniques de mesure proposées.

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Reliability of timber structures under long term loads

The strength of timber is significantly reduced under sustained load. Existing experimental data give a reasonable estimate of the strength reduction as a function of time under constant load. In practice, however, the load level is variable in time. For this situation the strength reduction must be estimated on the basis of so called damage theories. In engineering design, effects of load duration are accounted for by a strength reduction factor, k_mod, which depends on the type of load acting on the structure. The loads are classified in terms of their duration time. In a load combination the value of k_mod is based on the load with shortest duration. For several reasons the scientific basis to determine k_mod is rather uncertain. In this paper a probabilistic analysis is made with the purpose to calibrate k_mod for timber structures under combination of permanent load and snow load. The analyses are based on Swedish data for snow. A theoretical model proposed in [1] describes the damage accumulation. The analyses show that k_mod is of the order 0.8 for geographic locations with heavy snow loads as well as for locations with moderate snow loads. The factor k_mod was also found independent of the two practically relevant load combinations studied. The results can be used as recommendations for appropriate choice of k_mod in engineering design.

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Résumé La résistance du bois de construction diminue significativement sous la pression de charge. Les données expérimentales qui existent, donnent une estimation raisonnable de la réduction de la résistance du bois comme étant une fonction du temps sous une charge constante. Dans la réalité, le niveau de charge est néanmoins variable dans le temps. Pour cette raison la réduction de la résistance doit être estimée sur la base de ce que l’on appelle la théorie des dommages. En design de construction, les effets de la durée d’une charge sont représentées par un facteur de la réduction de la résistance, k_mod, qui dépend du type de la charge pesant sur la structure. Les charges sont classifiées en terme de leur durée de temps. Lorsque les charges sont variables, la valeur k_mod est basée sur la charge ayant la plus courte durée. Pour plusieurs raisons la base scientifique qui détermine k_mod est assez incertaine. Dans cet article, nous réalisons une analyse de probabilité ayant pour but de calibrer k_mod en ce qui concerne le bois de construction subissant des combinaisons de charges permanentes et de charges neigeuses. Les analyses sont basées sur des données suédoises sur la neige. Un modèle théorique proposé [1] décrit. l’accummulation des dommages. Les analyses montrent que k_mod est de l’ordre de 0,8 aussi bien dans les zones géographiques ayant de lourdes charges de neige que dans les zones ayant des charges modérées. Le facteur k_mod se révèle donc être indépendant des deux principales combinaisons de charges étudiées. Ces résultats peuvent être utilisés comme recommandation pour le choix approprié de k_mod en design de construction.

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Editorial Note Prof. H. J. Lorsen and Prof, S. Thelandersson are RILEM Senior Members This anide has been published in RILEM Proceedings International RILEM Symposium on Timber Engineering.     

Determination of permeable porosity

The resistance to gas flow offered by a porous medium can be utilised in the determination of permeable porosity. Transient and steady-state transport, in both the viscous and Knudsen flow regimes, is discussed theoretically. Experimental procedures are described, and illustrated with results obtained for constructional materials.

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Résumé L’écoulement permanent des gaz dans un milieu poreux n’intéresse que les pores accessibles et qui offrent réellement une voie de passage. Dans les conditions transitoires, avant qu’un régime permanent soit instauré, sont impliqués aussi les pores en cul de sac qui, bien qu’ouverts, ne constituent pas une voie de passage. Dans les deux cas, les conditions d’écoulement dépendent aussi du rapport entre le libre parcours moyen et le diamètre des pores. Pour une faible valeur de ce rapport, l’écoulement est visqueux; pour un rapport important, un écoulement de Knudsen s’instaure. On donne ici les équations qui décrivent l’écoulement et la diffusion de ces diverses conditions, et l’on montre que la porosité perméable peut être déterminée. On décrit des méthodes expérimentalement appropriées et l’on donne des résultats typiques correspondants obtenus sur des matériaux de construction.

     

Determination of pore-size distribution from freezing-point depression

By utilising the effect of interfacial curvature on the freezing-point of liquids confined in capillaries, it is in principle possible to determine a pore-size distribution, from the curve of freezing-point against volume frozen. The method is formally similar to capillary condensation methods based on the Kelvin equation. Suitable experimental techniques are described. A comparison with the results of mercury porosimetry on a sample of brick shows reasonable agreement.

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Résumé L’effet de la courbure interfaciale sur le point de congélation de liquides retenus dans des capillaires permet, en principe, de déterminer une distribution du diamètre des pores, d’après la courbe point de congélation/volume congelé. On procède à un examen des bases théoriques et l’on montre qu’il existe une similitude formelle avec les méthodes par condensation capillaire qui reposent sur l’équation de Kelvin. Quelques incertitudes théoriques subsistent, qui dépendent principalement du modèle défini adopté pour représenter les configurations de la glace, de l’eau et de l’air dans les pores; mais la comparaison entre les résultats expérimentaux et ceux que l’on peut déduire de la théorie permet de les éliminer. On examine également les effets des sels dissous et de l’hystérésis entre la fusion et la congélation. On décrit des techniques expérimentales appropriées, tant dilatométriques que calorimétriques. Les résultats s’accordent assez bien avec ceux obtenus sur un échantillon de brique par la porosimétrie au mercure.

     

Seismic performance behavior of beam-column connections in prestressed concrete bridges

Test results for four prestressed concrete beam-column connections subjected to reversed cyclic loading are reported. The specimens were part of an experimental program designed to investigate the effect of design provisions/specifications and concrete strength on seismic performance behavior of such connections. The major design parameters varied in the specimens were the design code (AASHTO versus New Zealand codes) and the concrete strength (high versus normal strength concrete). From the test results, it was concluded that both the AASHTO and New Zealand codes provide sufficient capacities for earthquake-resistant design, and before spalling of the concrete cover, the stiffness degradation of the specimen with high strength concrete was less serious than that with normal strength concrete. To account accurately for the hysteretic behavior, a new set of rules for such connections to predict the hysteretic loops is proposed.

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Résumé On présente les résultants des essais menés sur quatre connections poutres-colonnes en béton précontraint soumises à des sollicitations cycliques inversées. Ces essais faisaient partie d’un programme expérimental ayant pour but d’étudier l’effet des spécifications pour la conception et de la résistance du béton sur la performance sismique de telles connections. Les principaux paramètres de conception que l’on a fait varier furent les codes (codes AASHTO et codes de la Nouvelle Zélande) et la résistance du béton (béton de haute résistance versus béton ordinaire). Sur la base des résultats, il a été conclu que les deux codes (AASHTO et de la Nouvelle Zélande) fournissent des capacités suffisantes pour une conception résistante aux séismes, et que, avant l’éclatement de la couverture du béton, la dégradation de la rigidité de l’éprouvette en béton de haute résistance était inférieure à celle du béton de résistance normale. Afin de prendre en compte de manière précise le comportement d’hystérésis, de nouvelles règles pour de telles connections sont proposées afin de prédire les boucles d’hystérésis.

     

Experimental study on multiple-bolt steel-to-timber tension joints

An experimental investigation on steel-to-timber joints arranged with multiple bolts was carried out, both in the case of load parallel and perpendicular to the timber grain. The joints were made with timber side members and steel main member; high strength bolts were used for fasteners. The experimental results allowed determining the stiffness in service, the slip at failure and the reference loads (proportional limit, yielding, ultimate). A descreasing ductility of joints was observed at the increase of the number of bolts. With the above characteristic loads the bolt effectiveness of multiple joint loaded parallel to grain was evaluated and compared with that obtained from some analytical predictions found in the literature. It was evidenced that the provisions of Eurocode N.5 provide values for the bolt effectiveness quite closer to experimental reslts. The results of joints loaded perpendicular to the grain were compared with some analytical predictions; significant differences were noted with all analytical predictions considered.

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Résumé Une investigation expérimentale a été conduite pour étudier les joints entre le bois et l'acier, réalisés avec des boulons multiples soumis à une traction aussi bien parallèle que perpendiculaire aux fibres de bois. Les joints ont été construits avec l'élément central en acier et les éléments latéraux en bois; des boulons à haute résistance ont été utilisés. Les résultats des essais ont permis de déterminer la rigidité en service, le glissement à la rupture et les valeurs de résistance caractéristiques (limite de proportionnalité, évervement, limite ultime). En augmentant le nombre de boulons, on a constaté une diminution de ductilité du joint. Avec les valeurs de résistance caractéristiques, on a évalué l'efficacité de boulons des joints chargés parallèlement aux fibres du bois et la valeur a été comparée avec celles obtenues par quelques relations analytiques trouvées en littérature. Le travail de recherche a mis en évidence que la relation proposée par l'Eurocode No. 5 donne des valeurs très proches des résultats expérimentaux. Les résultats des essais sur les joints soumis à une traction perpendiculaire aux fibres de bois, comparés avec quelques relations analytiques, mettent toujours en évidence beaucoup de différences.

     

Fracture assessment of a high strength structural steel on the basis of Eurocode 3

This work examines the design method of Eurocode 3 against brittle failure with regard to its application to a high strength structural steel S460N EN 10113 type. The fracture behaviour of the steel is experimentally determined by means of fracture tests, considering also the effects of temperature and plate thickness. A direct verification of the method of Eurocode 3 is made by contrasting the assumptions on which it is based with the actual behaviour of the steel. The failure criterion and the mechanical properties characterizing the resistance to brittle and ductile fracture are the basis of the comparison.

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Résumé La méthode de calcul de l’Eurocode 3 en vue de se garantir du risque de rupture fragile est examinée dans cet article, par rapport à l’application à un acier à haute résistance pour construction métallique (l’acier S460N de la norme EN 10113). Les caractéristiques mécaniques de la rupture de l’acier, en particulier l’influence de la température et de l’épaisseur de laminage, ont été déterminées par des essais de rupture sur éprouvettes préfissurées. La méthod de l’Eurocode 3 a été vérifiée de manière directe en comparant les fondements des règles de calcul au comportement mesuré de l’acier. La comparaison est basée sur le critère de rupture mixte (fragile/ductile) adopté par l’Eurocode et sur les valeurs de tenacité établies à partir des valeurs de la résilience.

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Editorial Note Prof. M. Elices is a Senior Member and a member of the Board of Advisors. He is a member of RILEM TC 147-FMB: Fracture mechanics applications to anchorage and bond, TC 148-SSC: Test methods for the strain softening response of concrete and TC QFS: Size effect and scaling of quasibrittle fracture.     

Perméabilité des géotextiles et perméamètres

Effectuer une mesure réaliste de la perméabilité des géotextiles est moins aisé qu'il n'y paraît au premier abord. En appliquant aux géotextiles la théorie de l'Hydraulique des milieux poreux, et en se fondant sur des expérimentations effectuées à l'IRIGM (Université de Grenoble) et à l'Institut Textile de France, sur quatre perméamètres différents, nous avons montré la nécessité de conditions d'essais rigoureuses. Nous avons notamment comparé les résultats obtenus avec deux fluides (air et eau), nous avons montré l'intérêt d'utiliser de préférence un nouveau paramètre, la perméance intrinsèque ki/b, et enfin nous avons corrélé la précision de mesure à la valeur du nombre de Reynolds. En conclusion, nous proposons un nouveau modèle de perméamètre répondant aux conditions imposées plus haut.     

Effect of cold drawing on susceptibility to hydrogen embrittlement of prestressing steel

This paper compares the behaviour under aggressive environmental conditions of a prestressing steel in two forms (bar and wire) of different yield strengths, to investigate the influence of this material parameter on their susceptibility to hydrogen-assisted cracking in aqueous environments. Slow strain-rate tests using pre-cracked, specimens were performed under various environment conditions. Different fatigue pre-cracking loads were used to analyse the influence of the stress state in the vicinity of the crack tip on the hydrogen-assisted cracking process. The results confirm the well-known fact that the highest-strength steel is the most susceptible to hydrogen embrittlement. A model of hydrogen diffusion in metals— including the effects of both hydrogen concentration and hydrostatic stress distribution—is proposed to explain these results on the basis of the stress-strain curve of the material. Consideration is given to compressive residual stresses induced in the vicinity of the crack tip during the fatigue pre-cracking process. The model is able to explain the different susceptibility to hydrogen embrittlement of the two steels.

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Resume On utilise couramment deux types d’aciers dans le béton armé: les aciers tréfilés (C−Mn) ou trempés (Si−Cr). Bien que leur limite élastique soit assez élevée pour garantir une durée de service normale dans la zone d’élasticité, leur résilience est moindre que celle des aciers ductiles de limite élastique inférieure, et ils sont, par conséquent, plus sujets à des défauts tels que fissures ou encoches. De plus, ces aciers peuvent se fissurer sous l’influence d’une ambinace corrosive. On compare ici le comportement dans des conditions agressives, d’un acier de précontrainte C−Mn sous forme de barre ou de fil, de limites élastiques différentes, afin d’étudier l’influence, de ce paramètre du matériau sur la fissuration favorisée par l’hydrogène en milieux aqueux et, par suite, l’effet (bénéfique ou non) du procédé de tréfilage de ce point de vue particulier. Le programme expérimental consistait en une série d’essais de déformation à vitesse lente sur des éprouvettes pré-fissurées dans des conditions ambiantes variées. On a utilisé différentes charges de pré-fissuration en fatigue pour analyser l’influence de l’état de contrainte au voisingage de l’extrémité de la fissure sur le processus de fissuration favorisé par l’hydrogène. Les résultats confirment le fait bien connu, à sovoir que le fil tréfilé (acier de haute résistance) est davantage sujet à la fragilisation par l’hydrogène que la barre laminée à chaud (résistance plus basse), ce qui montre que le tréfilage réduit la résistance d’un acier de précontrainte à la fissuration favorisée par l’hydrogène. Dans la partie théorique, on propose un modèle de diffusion de l’hydrogène dans les métaux—qui tient compte des effets de la concentration en hydrogène et de la distribution des contraintes hydrostatiques—pour expliquer les résultats expérimentaux à partir de la courbe contrainte/déformation établie pour chaque matériau. On tient compte des contraintes en compression résiduelles qui se produisent au voisinage de l’extrémité de la fissure pendant le processus de pré-fissuration en fatigue, et qui sont modélisées selon les distributions de Rice pour un matériau élastique idéalement plastique. Le modèle permet d’expliquer les différentes susceptibilités à la fragilisation à l’hydrogène des deux formes d’acier de précontrainte à haute résistance (barre et fil): après la pré-fissuration en fatigue, la barre laminée à chaud présente une zone plastique plus large que le fil tréfilé, et l’hydrogène doit couvrir une plus longue distance avant d’atteindre le point critique, ce qui explique pourquoi la barre laminée est moins susceptible à la fragilisation à l’hydrogène.

     

Input of creep and shrinkage characteristics for a structural analysis program

Presented is a computer program for the input of creep and shrinkage properties for a structural analysis program. The program either accepts numerical data on the compliance function and the shrinkage function at discrete load durations and ages at loading, or uses the recent BP Model for creep involving the double-power law. The most useful characteristic is the availability of thirteen different options for specifying the creep and shrinkage parameters; sealed conditions or drying conditions, creep values specified and interpolation to be used, parameter of a creep formula specified, or creep formula automatically fitted to given creep data, short time data specified and extrapolation done by a formula, etc. In addition to returning the compliance function, the program also calculates the relaxation function and the age-dependent elastic moduli of a Maxwell chain model that is equivalent to the given creep properties. The program is particularly suitable for the input of creep characteristics for a large-scale finite element analysis.

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Résumé On présente l’informatisation des propriétés de fluage et de retrait qui entre dans un programme d’analyse structurale. Le programme soit accepte les données numériques de la fonction d’adaptation plastique et de la fonction de retrait pour des durées de chargement et des ages au chargement discrets, soit utilise le récent modèle de fluage BP à loi de double puissance. La caractéristique la plus utile est qu’on dispose de treize options différentes pour spécifier les paramètres de fluage et de retrait: conditions d’étanchéité ou conditions de séchage, valeurs spécifiées de fluage et interpolations, paramètres d’une formule spécifiée de fluage ou formules de fluage telles qu’elles donnent automatiquement les valeurs de fluage, valeurs spécifiées pour de courtes durées et extrapolations à partir d’une équation, etc. Outre qu’il restitue la fonction d’adaptation, le programme permet aussi de calculer la fonction de relaxation et les modules élastiques en relation avec l’age d’un modèle HN de Maxwell, soit l’équivalent des propriétés de fluage données. Le programme se prête particulièrement à l’introduction des caractéristiques de fluage pour une analyse par éléments finis à grande échelle.

     

Resistographic inspection of ancient timber structures for the evaluation of mechanical characteristics

Among non-destructive testing methods for the analysis of ancient timber structures, the Resistographic method is gaining great diffusion. This method is based on the registration of density variations through timber sections by means of an electronic drill and nowadays it is generally employed only to detect the presence of defects and damage. The present study is about the use of Resistographic method to evaluate mechanical characteristics of timber and, with this aim, an experimental program on wood-worm damaged timber has been carried on. Results show the usefulness of this non-destructive testing method as it allows the investigation through the interior part of timber and thus can give a quite reliable idea of local strength of wood in the examined section. That gives an useful parameter for the detection of recoverable elements in standing timber structures to be restored. In the present research, beech compressive strength has been evaluated from small clear wood specimens, while the evaluation of strength of dimensional lumber is outside the scope of the work.

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Résumé La méthode d'essai non-destructif dite Résistographique, est désormais la plus répandue pour l'analyse d'anciennes constructions en bois. Son application, qui se base sur l'enregistrement des variations de densité à l'intérieur d'une section en bois, à l'aide d'une perceuse électronique, n'est à présent utilisée que pour repérer d'éventuels défauts et endommagements. Cette étude concerne l'utilisation de la méthode Résistographique permettant d'évaluer les caractéristiques mécaniques du bois de construction. Dans ce but, on a expérimenté cette méthode sur des éléments de construction en bois de hêtre, en partie vermoulus. Les résultats démontrent l'utilité de cette méthode d'essai non-destructif qui permet d'examiner l'intérieur des bois, et d'en vérifier avec efficacité la résistance. Tout ceci nous permet d'individualiser tous les éléments récupérables dans les constructions en bois devant être restaurées. Dans cette recherche, on a derterminé la résistance du hêtre grace à des échantillons prismatiques, mais la résistance du bois des poutres en dimension d'usage réel, étant en dehors de l'objet de cette étude, n'a pas été mesurée.

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Editorial Note The University of Naples is a RILEM Titular Member.