Evaluation of two novel NDT techniques: microdrilling of clay bricks and ground penetrating radar in masonry

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil - Ramo de Conhecimento em EstruturasO trabalho apresentado nesta tese foi desenvolvido no Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho e no Departamento de Engenharia Estrutural do Politécnico de Milão, Itália. A prática moderna na conservação de edifícios históricos é uma tarefa complexa que requer um diagnóstico profundo e cuidadoso. A investigação preliminar é essencial afim de intervir correctamente e com sucesso. Os objectivos dessa investigação são recolher de informação apropriada sobre o edifício ou a estrutura, e avaliar as propriedades mecânicas dos materiais, sendo esta última uma tarefa difícil devido à complexidade de materiais e alvenarias antigos. É imprescindível conhecer o estado de conservação da estrutura, a extensão dos danos, a ocorrência de humidades, a geometria e características escondidas tais como vazios, fendas e destacamentos. Com o intuito de aumentar o conhecimento sobre materiais de construção antigos, foi efectuada a caracterização de tijolos cerâmicos provenientes de seis mosteiros Portugueses do século XII a XIX. Os resultados mostraram uma grande dispersão, evidenciando as seguintes características: porosidade e sucção elevadas e resistência à compressão baixa. A composição química indica que estes tijolos não foram fabricados com o mesmo tipo de matéria-prima que os artefactos antigos de cerâmica. As restrições à remoção de material para efeitos de amostragem ou para a realização de testes destrutivos são muito elevadas. Assim, nas últimas décadas, o uso de técnicas não destrutivas para investigação e diagnóstico de edifícios históricos aumentou de maneira significativa. No entanto, a avaliação da resistência à compressão e doutras propriedades mecânicas dos materiais antigos utilizando técnicas não destrutivas permanece um desafio. Uma metodologia semi-destrutiva recente baseada na microperfuração é apresentada neste trabalho para a caracterização de tijolos cerâmicos dos séculos XII a XIX. Os resultados mostram que é possível estimar de maneira fiável a resistência à compressão dos tijolos através de curvas de regressão usando a técnica de microperfuração adoptada neste trabalho. A substituição de materiais de construção antigos é um tema relevante para o património arquitectónico. Os materiais modernos são geralmente incompatíveis, exibindo uma resistência e um módulo de elasticidade muito mais elevados. Assim, este trabalho também inclui o estudo de tijolos fabrico tradicional, e que se destinam à substituição de tijolos antigos. Este estudo mostra que os tijolos modernos são mais duráveis mas evidenciam uma resistência à compressão semelhante. Além disso, as correlações propostas anteriormente para a resistência à compressão permanecem válidas para os tijolos modernos de fabrico tradicional. Estava prevista a construção de réplicas de paredes de alvenaria antigas com recurso aos tijolos modernos de fabrico tradicional e argamassa de cal de baixa resistência, com vazios e outras inclusões colocados no seu interior. Essas paredes seriam testadas utilizando outra técnica não destrutiva, que não se encontra facilmente disponível em Portugal. O Radar de Prospecção Geotécnica é uma técnica de investigação não destrutiva que permite detectar alterações de materiais através das suas propriedades dieléctricas. O Radar de Prospecção Geotécnica foi empregue na determinação da geometria e na detecção de características escondidas em elementos de alvenaria tais como vazios, fendas e destacamentos. A determinação dessas características é essencial devido ao elevado grau de heterogeneidade das estruturas antigas e às implicações destas no desempenho estrutural dos edifícios. Assim, através duma série de exemplos em provetes laboratoriais e in situ, o Radar de Prospecção Geotécnica foi usado para ajudar na detecção de características geométricas e para encontrar elementos metálicos e vazios em alvenaria histórica. Os ensaios em provetes laboratoriais incluem duas paredes de três panos em alvenaria de pedra para avalização geométrica dos panos exteriores, detecção de vazios e elementos de madeira, e uma terceira parede de alvenaria mais complexa, construída com um número significativo de deficiências, diferentes materiais (tijolo e pedra) e elementos com diferente geometria, simulando situações comuns em edifícios históricos. Os ensaios in situ, foram efectuados em diversos monumentos antigos localizados em vários países Europeus para avaliar o desempenho da técnica numa série de aplicações distintas. A medição no modo de reflexão (2D) com o Radar de Prospecção Geotécnica foi efectuada em todos os casos e produziu resultados satisfatórios relativamente à avaliação das características geométricas dos painéis de alvenaria assim como na localização de outras características (vazios, fendas, destacamentos) e objectos (elementos em madeira e metálicos) que se encontram frequentemente em elementos estruturais alvenaria. Técnicas de aquisição mais precisas e rotinas de processamento de sinais mais avançadas foram utilizadas quando é necessário um posicionamento mais preciso e para a avaliação das dimensões de prováveis objectos. Aquisições para a obtenção de volumes 3D foram efectuadas, permitindo obter o posicionamento tridimensional de vazios cilíndricos, de barras de aço e dum balaústre de betão. No entanto, esta técnica não reproduziu com suficiente precisão as dimensões dos objectos devido, essencialmente, à resolução da antena quando comparado com as dimensões do respectivo objecto. Para detectar camadas de pequena espessura na alvenaria, de difícil detecção através de perfis 2D em reflexão, foram efectuadas medições em modo de transmissão. A partir dos resultados dos tomogramas foi possível distinguir o material deteriorado do material são. Devido à grande quantidade de dados necessária, ao tempo dispendido durante a aquisição no local e aos recursos informáticos elevados para aplicar os algoritmos de reconstrução 3D e tomografia, essas técnicas apenas podem ser aplicadas localmente, caso as aquisições normais em modo de reflexão não permitam obter a informação necessária.The work presented in this thesis has been developed at the Department of Civil Engineering of University of Minho, Portugal, and at the Department of Structural Engineering of Polytechnic of Milan, Italy. Modern practice in conservation of historical buildings is a complex task that requires a deep and careful diagnosis. Preliminary investigation is essential in order to intervene correctly and successfully. The objectives of such investigation are to gather adequate information about the building or structure, and to evaluate the mechanical properties of materials, being the latter a difficult task due to the complexity of old materials and historic fabrics. Necessary information is the state of conservation, the extent of damages, the presence of moisture, the geometry and hidden features such as voids, cracks and detachments. In order to increase the knowledge about ancient building materials, characterization of clay brick from historic monuments in Portugal was performed in bricks from the 12th to 19th century, collected from six monasteries. The results showed a large scatter, and the main characteristics are high porosity, high suction and low compressive strength. Chemical composition indicates that bricks are not prepared with the same raw materials as old clay artefacts. The restrictions to remove material for mechanical sampling or to carry out destructive tests are very large. Therefore, in the last decades, the use of non-destructive testing techniques for investigation and diagnosis of historical buildings has increased significantly. However, the evaluation of the compressive strength and other mechanical properties of historic materials using such techniques remains a challenge. A recent minor-destructive methodology based on microdrilling is used in this research work for the characterization of clay bricks from the 12th to 19th century. The results show that it is possible to reliably estimate the compressive strength of bricks by means of regression curves using the adopted microdrilling technique. The replacement of old material is a matter of concern in every intervention in architectural heritage. Modern materials are usually incompatible, as they present much higher strength and elastic modulus. Thus, this work addresses also the study of traditional handmade clay bricks as replacing bricks. The study shows that new bricks are more durable but exhibit comparable compressive strength. Moreover, the proposed correlations for compressive strength of ancient bricks remain valid for new traditional handmade clay bricks. Originally, it was planned to use new handmade bricks and weak lime mortars to build replicas of ancient masonry walls, with voids and other inclusions. These would be tested using another technique, which is fully non-destructive and not easily available in Portugal. Ground Penetrating Radar is a non-destructive technique that allows the detection of material changes through changes in dielectric properties. Ground Penetrating Radar was used to determine the geometry and to map hidden features of masonry such as voids, cracks and detachments. The detection of these properties is of high relevance due to the high heterogeneity of old structures, which has implications in the structural performance of buildings. Thus, through a series of examples in laboratory specimens and in situ, the Ground Penetrating Radar was used to help in the detection of geometrical characteristics and to find metallic elements and voids in masonry. The tests in laboratory specimens included two three-leaf stone masonry walls for the geometrical assessment of the exterior panels, the detection of voids and embedded wood beams, and a third complex stone/masonry wall built with a significant amount of deficiencies, construction materials and elements with different geometry, simulating typical situations on historical buildings. The experiments in situ were performed in several masonry monuments from different European countries to assess the performance of the technique for a number of applications. Radar measurements in reflection mode (2D) were carried out in every case and produced satisfactory results regarding geometry assessment of masonry leaves and in the location of features (air voids, cracks, detachments) and objects (wood beams, steel objects) that are often found in masonry structural elements. More precise acquisition techniques and advanced signal processing routines were used when more accurate positioning was needed and for the assessment of the dimensions of possible objects. Acquisitions for the construction of advanced 3D volumes were performed and allowed to obtain the three-dimensional position of cylindrical voids, steel bars and concrete baluster. However, the technique failed to reproduce adequately the dimensions of the objects due, essentially, to the resolution of the antenna when compared to the dimensions of the targets. Transmission measurements were performed to detect thin layers of masonry. The resultant tomograms identify damaged and undamaged material. Due to the significant amount of data that is necessary, the time for accurate field acquisition and the large computer resources to run 3D reconstruction and inversion algorithms, these techniques can only be applied locally, if typical 2D radargrams do fail to provide the necessary information.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Sobre a aplicação do georadar em pontes

A reabilitação de pontes vem crescendo com a deterioração das pontes existentes e a sua necessária conservação mas, igualmente, a sua adaptação a novas cargas e aumento de tráfego. Este tipo de trabalhos requer técnicas e ensaios específicos, que permitam obter informação sobre e para o projecto, frequentemente inexistente ou incorrecto, de maneira totalmente não destrutiva e sem necessidade de impedir o trânsito. O georadar adapta-se perfeitamente a esses requisitos, sendo uma ferramenta essencial para o diagnóstico e a recolha de informações em pontes de betão armado e alvenaria. Este permite obter informação sobre a geometria e a armadura em pontes de maneira rápida e eficiente

Evaluation of the compressive strength of ancient clay bricks using microdrilling

Nondestructive testing techniques are increasingly being used to obtain the geometry of structural and nonstructural elements and hidden features such as voids, cracks, and detachments. However, the evaluation of the compressive strength and other mechanical properties of ancient materials using such techniques remains a challenge. To reliably assess mechanical properties, it is usually necessary to directly test the strength and deformation of materials by destructive methods. To avoid coring and sampling of the historic fabric, a recent minor-destructive methodology based in microdrilling is used in this paper for the characterization of clay brick. For this purpose, 148 brick specimens from the 12th to 19th centuries were collected from six monasteries in Portugal. A wide range of compressive strength was found by destructive compressive testing, ranging from 6.7 to 21.8 N/mm2. The paper shows that it is possible to reliably estimate the compressive strength of bricks by means of regression curves using the adopted microdrilling technique.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - POCTI SFRH/BD/6409/2001.Instituto Português do Património Arquitectónico (IPPAR

Aplicações do georadar na reabilitação e detecção de anomalias

O georadar é uma técnica de inspecção não destrutiva baseada na emissão de ondas electromagnéticas, através do solo e em materiais de construção, e na recepção das reflexões originadas por objectos e camadas de materiais distintos. A gama de aplicações é muito vasta, sendo utilizada na inspecção de materiais diversos. Várias antenas permitem a sua aplicação na resolução de problemas de natureza muito diversificada, desde aplicações estruturais a geotécnicas, sendo esta última a aplicação que lhe deu o nome. A utilização do georadar na engenharia estrutural é relativamente recente. Em Portugal, o georadar tem sido aplicado muito recentemente na resolução de problemas estruturais e na prospecção de infra-estruturas enterradas. Neste artigo, descrevem-se algumas dessas aplicações, com o objectivo de demonstrar as capacidades desta metodologia, as suas vantagens e limitações e a importância dos resultados obtidos. Os resultados demonstram que o georadar é adequado na detecção de armadura e barras de pré-esforço a profundidades elevadas (> 5 cm), na detecção de cabos eléctricos, na determinação da geometria em estruturas de alvenaria e na detecção de humidade.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - bolsa de investigação POCTI SFRH/BPD/26706/200

Estado da arte sobre tijolos antigos

A prática moderna na conservação de edifícios históricos é uma tarefa complexa, que requer um diagnóstico profundo e cuidadoso. A investigação preliminar é essencial afim de intervir correctamente. A recolha de informação apropriada sobre o edifício e a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais são fundamentais. No entanto, a avaliação das propriedades dos materiais é difícil devido à complexidade dos materiais antigos. É ainda imprescindível conhecer o estado de conservação da estrutura, a extensão dos danos, a ocorrência de humidades, a geometria e características escondidas tais como vazios, fendas e destacamentos. Assim, com o intuito de aumentar o conhecimento sobre materiais de construção antigos utilizados em Portugal, foi efectuada a caracterização de tijolos cerâmicos provenientes de seis mosteiros Portugueses do século XII a XIX. Os resultados mostraram uma grande dispersão, evidenciando as seguintes características: porosidade e sucção elevadas e baixa resistência à compressão. A composição química indica igualmente que estes tijolos não foram fabricados com o mesmo tipo de matéria-prima que os artefactos antigos de cerâmica. A estes resultados foram adicionados os resultados duma pesquisa sobre tijolos cerâmicos utilizados em monumentos espalhados por todo o mundo e de diversas épocas.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - POCTI SFRH/BPD/26706/200

Ancient clay bricks: manufacture and properties

The physical, mechanical and chemical properties of ancient fired clay bricks are addressed. A literature survey is carried out and samples of old Portuguese bricks dated from the 12th to 18th centuries are considered. A high porosity (15-40 %) and water absorption (10-20 %) is found. The suction rate can be rather high (up to 0.35 g/cm2/min), while the specific mass is low (1,500 to 1,800 kg/m3). The compressive strength shows a huge scattering with frequent values ranging from 1.5 to 30 N/mm2. In general, raw clays used in old clay bricks seem to have some consistency with respect to proportion of the main chemical constituents, while bricks of the same origin generally exhibit a strong chemical similarity. Finally, it is shown that a minor-destructive test (microdrilling) allows to adequately assess the compressive strength of old clay bricks, using appropriate correlations

Typology based method for choosing old masonry walls inspection procedures

The diagnosis of historic masonry walls is an intricate and complex field and has been an object of research for many years. This paper aims to propose practical methodologies for the diagnosis of historic masonry walls, specifically based on their typological characteristics. In order to develop such procedures, information relating to historic masonry typologies in Portugal, classified as rural, urban and military was gathered and techniques for the assessment of historic masonry were studied. All information was integrated to develop a pattern typology oriented methodology. Developed methodology was tested and validated in a small diagnosis campaign carried out in the Guimarães Castle. Methodology was proven to be advantageous and although the study is limited and focused on the Portuguese architectural specificities, it still holds global classifications, and therefore can be useful for any diagnosis procedure of a historic masonry wall

Tube-jack testing: regular masonry wall testing

Tube-jack testing is an enhanced non-destructive test method being developed at the University of Minho as an enhanced version of the traditional flat-jack test method. The tube-jack system consists of several tube-jacks, instead of flat-jacks, roughly aligned in holes drilled into the mortar joints, of the masonry to be tested, forming an equivalent flat-jack. The tube-jack system can be used similarly to the flat-jack system to test the mechanical properties of historical masonry during inspection and diagnosis of a masonry structure. In this paper the testing of the complete tube-jack system in a regular masonry wall is pre-sented. Several single tube-jack tests were performed in horizontal joints in a regular mason-ry wall, made of granite and cement-lime mortar, built in the laboratory for this purpose. The tests were studied to determine if they could accurately estimate the stress level in the masonry. A double tube-jack test was also performed to determine if this method could be an alternative to the double flat-jack test. Finally, these tube-jack tests were compared to single and double flat-jack tests performed next to the tube-jack tests in the same masonry wall. The results and conclusions of each of these tests are discussed and possible future improve-ments to the tube-jack system are presented

Direct sonic and ultrasonic wave velocity in masonry under compressive stress

Sonic Pulse Velocity Testing and Ultrasonic Testing are widely accepted non-destructive testing techniques that can be used to investigate historical masonry structures. Sonic pulse velocity tests have been used with various set-up configurations to investigate the interior consistency of masonry walls and columns and to assess the effectiveness of grout injection; and ultrasonic tests have been used on masonry materials to estimate their elasticity. The velocity at which a wave passes through the masonry can be influenced by many variables such as the mechanical characteristics of the materials, arrangement of constituents, joints and voids. Due to the irregularity of historical masonry and the large number of variables that can influence the wave velocity, only qualitative results from these tests can be obtained. This paper presents the results of a laboratory test plan aimed at investigating the relationship between wave velocity and the variable of masonry compressive stress. Ultrasonic tests were performed on the constituent materials, granite and mortar blocks, while they were loaded in compression. Then direct sonic tests were performed on small masonry wallets constructed of the same materials while they were loaded in compression. Test results of the masonry are discussed in relation to those of the constituent materials