Analyse des résultats expérimentaux avec un béton à faible résistance B1

Comportement des poutres en béton armé renforcées en cisaillement à l’aide de FRP

Toutes les recherches menées à ce jour dans le domaine des matériaux composites confirment que ces derniers augmentent la capacité des éléments structuraux en béton armé à reprendre les sollicitations qui leurs sont appliquées. La méthode utilisée pour modéliser les mécanismes de résistance en cisaillement développés par le FRP pour reprendre l’effort tranchant est celle du treillis, c’est une approche qui est initiée par Berset (1992) et qui s’est inspirée de la modélisation faite pour les poutres en béton armé non renforcées. Contrairement à ces dernières où les aciers sont supposés atteindre la plastification au moment de la rupture, le FRP n’atteint quasiment jamais sa résistance limite. La déformation effective (εfe) à la rupture du FRP est alors estimée en calculant une fraction de sa déformation ultime. Plusieurs auteurs ont proposé des valeurs déduites empiriquement des résultats de leurs essais.

Ainsi, l’expression de cette déformation diffère d’une norme à une autre. Bousselham (2002) a passé en revue dix ans de travaux relatifs au comportement en cisaillement de poutres en béton armé renforcées et ce, depuis la première étude de Berset (1992). Dans les ouvrages d’art, on a deux types de chargement, statique et cyclique. Sous chargement cyclique, les structures et les matériaux présentent des résistances inférieures à celles développées sous chargement statique. Cette diminution de résistance dépend de plusieurs facteurs, tels que : le type de chargement et les propriétés des matériaux. Les éléments fondamentaux de l’ouvrage sont soumis à des contraintes cycliques connues mais variables dans le temps. Cela induit un endommagement de la structure par fatigue, qui est caractérisé par des déformations irréversibles sous forme de fissures microscopiques qui se développent dans le temps et en s’accumulant cela peut provoquer une rupture. Pour mieux comprendre le comportement en cisaillement des poutres en béton renforcées avec des matériaux composites, il est important de définir en premier lieu l’usure et la diminution de la capacité portante de chacun des matériaux qui compose les poutres à savoir : le béton, les aciers, la colle et le renfort en FRP.

Problématique du renforcement en cisaillement à l’aide de FRP

Le cisaillement est un phénomène dont les mécanismes ne sont pas tout à fait maitrisés à cause des différents paramètres qui interviennent, tels que : la résistance du béton, la section des barres d’armature et leur limite élastique, l’espacement des étriers et la position du chargement. (Diagana et al. 2003). À cela s’ajoutent d’autres paramètres liés au renfort : sa rigidité, sa configuration, ainsi que des paramètres d’interaction renfort-béton et renfort-étriers. De ce fait, on constate des écarts entre les prédictions avancées par les normes et les résultats d’essais menés dans les laboratoires de recherche (Bousselham, 2005). Antérieurement, plusieurs travaux de recherche ont été menés sur des poutres en béton armé renforcées en cisaillement à l’aide du FRP (Al-Sulaimani et al. 1994, Chajes et al. 1995 ; Hutchinson 1999). Des poutres retirées des ponts existants ont également été renforcées en cisaillement avec du FRP et testés en laboratoire (Drimoussis et Cheng, 1994 ; Alexander et Cheng, 1997 ; Deniaud et Cheng, 2000a). En 1998, plusieurs chercheurs ont mis au point de 25 nouvelles méthodes de conception et de modèles d’analyse pour évaluer précisément la contribution de FRP pour la résistance au cisaillement des poutres en béton armé (Triantafillou 1998 ; Malek et Saadatmanesh 1998 ; Khalifa et al. 1998; Chaallal et al. 1998).

Ces approches ont été trouvées avec succès dans la prédiction de la force de cisaillement. Toutefois, les échantillons ont été considérés comme expérimentaux à petite échelle avec une profondeur qui est inférieure à 300 mm. Collins et Mitchell (1980) et MacGregor (1997) ont mentionné que la taille du faisceau est l’un des facteurs importants affectant la résistance au cisaillement des poutres en béton armé. Conceptuellement, les poutres renforcées en cisaillement avec des feuilles en FRP devraient également être affectées par l’effet d’échelle. Mais certains de ces spécimens ont été testées avec des feuilles en FRP sous forme d’enveloppe complète (full wrap). Dans la plupart des cas pratiques, l’accessibilité des poutres pendant la réhabilitation est souvent limitée. Normalement, seule la face inférieure des poutres peuvent être renforcés. Chajes et al. (1995) ont conclu que les spécimens de grande envergure devraient être étudiés et plusieurs tests seront nécessaires avec différentes quantités d’armature interne, une géométrie variable et diverses portées en cisaillement à différents taux de profondeur. Deniaud et Cheng (2000b, 2000c) ont également montré que la quantité d’armature interne peut affecter la contribution de cisaillement nette due au FRP.

Renforcement en surface

Les matériaux composites avancés collés en surface ont été largement utilisés pour augmenter la rigidité et la capacité portante des structures en béton. Les fibres sont utilisées avec des résines époxy qui, en se durcissant, forment un composite stratifié collé sur le substrat de béton. Ceci induit une augmentation du moment interne de la section renforcée et aussi sa résistance au cisaillement. Les contraintes de traction sont transmises aux fibres via son interface. L’augmentation de la rigidité de l’élément structural dépend des contraintes générées dans le matériau composite qui dépend de la capacité de l’interface. Swamy et Mukhopadhyaya (1999) ont effectué des études sur le décollement des plaques de FRP. Les chercheurs ont utilisé des poutres rectangulaires renforcées sur la face inférieure par un tissu polymère. Afin d’éviter le délaminage, différents types d’ancrage ont été testés. Des U métalliques ont servi pour ancrer les extrémités des plaques de FRP. Des plaques de cisaillement ont été collées en différents endroits des faces latérales. Les auteurs ont relevé l’importance de la qualité du béton pour pouvoir utiliser à pleine capacité le renforcement. Ils montrent aussi la faible influence du renforcement interne contre le cisaillement (étriers, cadres) sur le phénomène de délaminage.

Le confinement latéral permet d’optimiser l’utilisation du renforcement à l’aide de FRP. Ils concluent, comme Duquette (1998) précédemment, que l’utilisation optimale du FRP ne peut être atteinte que si on évite le délaminage des plaques de FRP. Malek et coll. (1998) ont effectué une étude analytique où ils ont réussi à démontrer que, comme dans le cas des plaques d’acier, des phénomènes locaux peuvent amener à une rupture prématurée du renforcement. L’analyse donne une contrainte de cisaillement maximale ainsi qu’un effort normal inter facial maximum aux extrémités de la plaque. Les auteurs mettent en évidence un effort de cisaillement maximal au droit d’une fissure.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE SUR LE COMPORTEMENT ET RENFORCEMENT EN CISAILLEMENT À L’AIDE DE MCA
1.1 Fondements des règles de calcul relatives au renforcement en Cisaillement
1.2 Revue des théories et méthodes de calcul
1.2.1 Analogie du treillis à 45°
1.2.2 Analogie du treillis à angle variable
1.2.3 Théorie modifiée du champ de compression
1.3 Comportement des poutres en béton armé renforcées en cisaillement à l’aide de FRP
1.3.1 Béton
1.3.2 L’acier
1.3.3 Béton armé
1.3.4 Colles
1.3.5 Matériaux composites avancés
CHAPITRE 2 REVUE DES NORMES ET CODE SUR LE RENFORCEMENT EN CISAILLEMENT À L’AIDE DE MCA
2.1 CAN/CSA-S6-06
2.2 CAN/CSA S806-02
2.2.1 Longueur de scellement
2.2.2 Contrainte d’adhérence
2.2.3 Glissement
2.2.4 Cisaillement
2.3 ACI 440
2.3.1 Résistance de la barre en FRP
2.3.2 Longueur d’ancrage
2.3.3 Moment résistant dû au FRP
2.3.4 Résistance en cisaillement dû au FRP
CHAPITRE 3 REVUE DOCUMENTAIRE SUR LA PROBLÉMATIQUE DE L’ANCRAGE DES TISSUS EN MATÉRIAUX COMPOSITES
3.1 Problématique de l’adhérence
3.2 Problématique du renforcement en cisaillement à l’aide de FRP
3.3 Modes de rupture
3.4 Renforcement en surface
3.4.1 Mode de rupture
3.5 Renforcement avec la technique NSM
3.5.1 Modes de rupture
3.6 Renforcement avec la technique ETS
3.6.1 Modes de rupture
3.7 Limite supérieure de la contribution du FRP à la résistance au cisaillement
CHAPITRE 4 PROGRAMME EXPERIMENTAL
4.1 Généralité
4.2 Essais d’arrachement (Pullout test)
4.3 Paramètres d’étude
4.4 Détails expérimentaux
4.4.1 Description du programme expérimental
4.5 Matériaux
4.5.1 Béton
4.5.1.1 Béton B1
4.5.1.2 Béton B2
4.5.2 Préparation des blocs
4.6 Barres de CFRP
4.6.1 Essai de traction sur la barre en CFRP
4.6.2 Préparation des barres
4.7 La colle
4.8 Mise en place du renfort
4.9 Mise en place du spécimen
CHAPITRE 5 ANALYSE DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
5.1 Analyse des résultats expérimentaux avec un béton à faible résistance B1
5.1.1 Analyse de la variation du diamètre de Barre en CFRP
5.2 Analyse des résultats expérimentaux avec un béton à haute résistance B2
5.2.1 Analyse de la variation du diamètre du trou
5.2.2 Analyse de la variation de la longueur d’ancrage
5.3 Influence de la résistance du béton
5.4 Relation force d’ancrage-glissement
5.4.1 Effet du diamètre de Barre en CFRP sur la relation charge-glissement
5.4.2 Effet du diamètre du trou dans le béton sur la relation charge-glissement
5.4.3 Effet de la longueur d’ancrage sur la relation charge glissement
5.4.4 Influence de la résistance du béton
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I PHOTO DU PROJET
ANNEXE II FICHES TECHNIQUES DES BARRES EN CFRP
ANNEXE III FICHES TECHNIQUES DES COLLES
ANNEXE IV FICHES TECHNIQUES DES BÉTONS
ANNEXE V NORME CAN/CSA S806-02 UTILISÉE DANS LA PRÉPARATION DES SPÉCIMENS
ANNEXE VI TABLEAUX RÉCAPITULATIFS DES FORCES DE CHARGEMENT DE CHAQUE SPÉCIMEN
BIBLIOGRAPHIE