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COLLETTE, Quentin

Riveted connections in historical metal structures (1840-1940). Hot-driven rivets: technology, design and experiments

Une version électronique de cette thèse de doctorat (rédigée en anglais) est disponible à l’adresse suivante:

https://app.box.com/PhD-QCollette-2014

Soutenance : 30 juin 2014

Université: Vrije Universiteit Brussel
Faculté: Faculty of Engineering
Département: Architectural Engineering (ARCH)

Membres du Jury :

Ine Wouters, Vrije Universiteit Brussel, Belgique (Supervisor)
Stéphane Sire, Université de Bretagne Occidentale, France (Supervisor)
Iris De Graeve, Vrije Universiteit Brussel, Belgique (President)
Rik Pintelon, Vrije Universiteit Brussel, Belgique (Vice-president)
Inge Bertels, Vrije Universiteit Brussel, Belgique (Secretary)
Bernard Espion, Université Libre de Bruxelles, Belgique (External juror)
Werner Lorenz, Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Allemagne (External juror)

 

Résumé de la thèse :

Les assemblages rivetés furent la technique d’assemblage la plus utilisée en construction métallique durant la seconde moitié du XIXe siècle pour fabriquer des profilés reconstitués (poutres, colonnes) et connecter des éléments porteurs entre eux. De nos jours, l’évaluation de la sécurité structurale des constructions métalliques historiques, et en particulier de leurs assemblages, soulève de nombreux défis théoriques et pratiques vu le manque d’informations et le caractère obsolète de la technique du rivetage. Cette recherche doctorale eut pour but de fournir une connaissance approfondie de la technologie, la conception et le comportement structural des assemblages rivetés en vue d’aider les ingénieurs et architectes actifs dans le domaine de la conservation du patrimoine.

Trois principaux axes de recherche furent développés et ont abouti aux résultats suivants:

1. Technologie : Un rivet se compose d’une tige cylindrique ainsi que d’une « tête de pose », généralement ronde. Le processus de mécanisation de la technologie du rivetage s’opéra en deux étapes : la fabrication des rivets entre les années 1850 et 1880 et l’installation des rivets entre les années 1880 et 1900. Originellement exécutée à la main, l’opération de rivetage consistait à forger la partie en saillie de la tige de rivet afin de former sa seconde tête dite « tête fermante ». L’introduction des machines à river permit de réduire la main d’œuvre et sa qualification, d’augmenter la vitesse d’installation ainsi que d’améliorer la capacité portante des assemblages rivetés.

2. Conception : Jusque dans les années 1880, la conception des assemblages rivetés dépendait uniquement de considérations purement géométriques. Les formules empiriques et tableaux de dimensionnement utilisés découlaient de l’expérience et du savoir-faire des chaudronniers. A partir des années 1880, la conception des assemblages prit en compte la géométrie mais aussi les paramètres de résistance ainsi que les charges appliquées. De manière générale, les assemblages rivetés furent dimensionnés selon une approche plutôt conservative.

3. Expérimentation : La résistance au cisaillement d’assemblages rivetés en fer forgé fut étudiée expérimentalement. Des assemblages en fer forgé furent fabriqués en Angleterre en réutilisant les matériaux, outils et techniques de rivetage du XIXe siècle. L’influence d’une intervention de réparation fut évaluée en testant des assemblages rénovés à l’aide de matériaux (acier) et techniques actuelles. L’étude expérimentale mit en évidence l’influence positive majeure d’une intervention de réparation sur la résistance au cisaillement d’assemblages rivetés en fer forgé.

Sur base des trois axes de recherches présentés ci-dessus, des recommandations et outils d’aide à la rénovation furent développés dans l’idée de soutenir les ingénieurs et architectes dans leurs démarches d’évaluation des assemblages rivetés de structures métalliques historiques.

 

Abstract :

Waiting for a train at London St Pancras railway station or reading a book on the Berlin underground are simple everyday actions. Conversely, preserving the service life of such historical metal structures enabling those routine actions is a challenge. The overall safety and stability of historical iron and steel structures and, more in particular, the state of their connections, are of concern to engineers, architects and heritage care specialists. Rivets were the primary fastener used to fabricate these connections through a technique called hot riveting. Although well developed in the nineteenth century, hot riveting fell into disuse when the welding technique was invented. Nowadays, the appraisal of riveted connections raises numerous theoretical and practical issues that remain to be solved. Therefore, we reviewed international historical literature and carried out experiments. This study unravels the technology and design of historical riveted connections built in France and Belgium (1840s-1940s).

Major evolutions occurred at the turn of the 20th century. The material iron was replaced by steel, rivets were not installed by hand anymore but with machines, and the design of riveted connections relied on a scientific approach. The appraisal of riveted structures of that period thus calls for additional care. The knowledge of past techniques and design methods can help engineers apprehend the assessment of riveted connections with more confidence. The study supports decisions-makers and workmen for inspection, structural assessment and intervention purposes. We should strive to preserve both the service life and the heritage value of historical metal structures belonging to the city’s landscape for the decades and hopefully centuries to come.