Material properties for fracture mechanics based strength assessment of cast iron water mains

Municipal water distribution systems in Canada and other countries include a large number of cast iron pipes that were installed almost 50 years ago. For structural integrity assessment of these pipes, the fracture mechanics approach is found to be more effective than the conventional continuum mechanics-based approach. This paper presents the mechanical properties for fracture mechanics-based strength assessment of water mains determined through testing of cast iron pipes exhumed from two cities in Canada. Microstructure analysis is conducted to understand the materials' inherent properties. Uniaxial tensile tests are conducted to determine the stress-strain relations. The influence of the rate of loading on stress-strain behaviour and loading-unloading responses are investigated. A simplified single-edge notch beam test is used to obtain the fracture toughness. Probabilistic distributions of the parameters are provided to account for the uncertainty and variabilities observed in the test results. Key words: cast iron water main, tensile test, single-edge notch beam (SENB) test, micro-structure analysis, fracture mechanics finite element analysis. Les reseaux municipaux de distribution d'eau au Canada et dans d'autres pays comprennent un grand nombre de tuyaux en fonte qui ont ete installes il y a pres de 50 ans. En ce qui concerne l'evaluation de l'integrite structurale de ces tuyaux, l'approche de la mecanique de la rupture est jugee plus efficace que l'approche classique fondee sur la mecanique des milieux continus. Cet article presente les proprietes mecaniques pour l'evaluation de la resistance des conduites principales fondee sur la mecanique de la rupture, determinee par des essais sur des tuyaux en fonte exhumes de deux villes au Canada. L'analyse de la microstructure est effectuee afin de comprendre les proprietes inherentes des materiaux. Des essais de traction uniaxiale sont realises pour determiner les relations contrainte-deformation. L'influence du taux de chargement sur le comportement de contrainte-deformation et les reponses de chargement-dechargement sont etudiees. Un essai simplifie de poutre a encoche a rebord simple (<>) permet d'obtenir la tenacite. Les distributions probabilistes des parametres sont fournies pour tenir compte de l'incertitude et des variabilites observees dans les resultats des essais. [Traduit par la Redaction] Mots-cles: conduite principale d'eau en fonte, essai de traction, essai de poutre a encoche a rebord simple (<< single-edge notch beam test >>), analyse des microstructures, mecanique des fractures, analyse des elements finis.
Introduction Cast iron was extensively used as the dominant material for municipal water mains until the middle of the twentieth century. Although cast iron pipes are no longer manufactured or [...]