COMPORTEMENT DES POUTRES EN BÉTON ARMÉ À L’EFFORT TRANCHANT

COMPORTEMENT DES POUTRES EN BÉTON ARMÉ À L’EFFORT TRANCHANT

COMPORTEMENT DES POUTRES EN BÉTON ARMÉ À L’EFFORT TRANCHANT

Une poutre en béton armé est soumise à plusieurs types de sollicitations agissant simultanément. Le plus souvent sont retrouvés des efforts de flexion, de torsion, de traction et de cisaillement. L’intérêt de ce chapitre est d’observer les effets de l’effort tranchant sur une poutre en béton armé. Le cisaillement est caractérisé par une rupture de type fragile. Ceci rend son apparition indésirable car une rupture fragile est toujours prématurée (figure 1.1) et surtout sans signe précurseur. Parfois, les ruptures par cisaillement arrivent avant même que l’élément n’ait atteint sa capacité en flexion. De plus, le béton est un matériau anisotrope et non-homogène. Il est donc difficile de définir les variations de ses caractéristiques mécaniques, en particulier, lorsqu’il est soumis au cisaillement. Le comportement d’une poutre en béton armé face au cisaillement est complexe, car, plusieurs paramètres entrent en jeu.

Aujourd’hui, une attention particulière doit être portée au dimensionnement en cisaillement des poutres en béton armé pour les nouveaux ouvrages. Cependant, la majorité des bâtiments et ouvrages d’arts de nos sociétés modernes ont été construits il y a déjà quelques temps avec des méthodes de dimensionnement en cisaillement souvent en deçà du niveau des normes actuelles. De ce fait, un réel besoin quant à la recherche sur l’évaluation et le développement de méthodes de renforcement à l’effort tranchant des éléments en béton armé est attendu. Le phénomène de cisaillement est plus complexe et une rupture par cisaillement est plus dangereuse que celle due à la flexion. C’est pourquoi, les sujets de recherche portant sur le cisaillement sont nombreux.

Présentation

La méthode appelée MSN pour Near Surface Mounted est une des plus récentes mais aussi une des plus prometteuses pour ce qui est de l’utilisation de matériaux composites pour le renforcement d’éléments structuraux. Non seulement pour les problèmes de cisaillement mais aussi pour d’autres applications (flexion et poinçonnement pour des dalles). A l’heure actuelle, il existe peu de documentation sur cette technique. Les recherches dévouées à ce type de renforcement sont limitées mais en progression. Les connaissances actuelles permettent de dire que cette utilisation des matériaux composites se présente comme la solution la plus efficace sur le marché notamment pour éviter les désordres structuraux. Les études déjà réalisées sur ce sujet montrent que la méthode NSM procure un renforcement des éléments plus efficient que la méthode EB. Cette technique NSM présente le plus grand potentiel de développement du moment. Elle consiste à encastrer, près de la surface du béton et dans une rainure préalablement pratiquée, une armature composite (figure 3.2), dans le but d’améliorer le comportement mécanique de l’élément. L’espace résiduel dans la rainure est rempli avec un liant qui est généralement de l’époxy quand il s’agit de béton armé. Les fibres des armatures sont en carbone. Les fibres de carbone sont généralement préférées aux fibres de verre compte tenu de leur plus grande résistance. Cette technique n’est pas entièrement nouvelle car elle avait déjà été testée dans les années 50 mais c’était avec des barres d’aciers noyées dans du béton (Parretti et Nanni, 2004).

Processus de recherche

On a donc procédé à une vaste recherche de documents (articles, thèses…) traitant du sujet entre 2004 et aujourd’hui. Pour ensuite pouvoir, quand cela est possible, inclure les résultats fournis dans le logiciel qui alimente la base de données. Les poutres y sont classées par année 53 de fabrication mais aussi en fonction des grandes caractéristiques repérables telles que les propriétés du béton, celles des aciers longitudinaux et d’autres (chapitre 6). L’utilisation de l’outil informatique a été nécessaire. Les moteurs de recherche Compendex, Inspec et IEEE Xplore furent utilisés pour trouver les articles nécessaires à la mise à jour de la base de données. Le groupe de recherche de l’ÉTS a mis à disposition un recueil d’articles dont la plupart ont contribués à la mise à jour de la base de données. Certains auteurs tels que E. Grange, D.I Kachlakev ou encore Z. Chen ont publié beaucoup, notamment pour ce qui concerne la méthode externe EB. Celle-ci est le sujet d’étude de nombreuses recherches. En effet, les articles traitant du renforcement de poutres en béton armé renforcées avec des matériaux composites sont au nombre de 29 articles rien que pour la méthode EB. Alors que la méthode NSM est moins présente dans la littérature, car elle est plus récente. C’est pourquoi le nombre d’articles portant sur ce sujet est nettement moins important que ceux traitant de la méthode EB (Chapitre 6). La logique actuelle tend à montrer que cela va s’inverser à un court terme. Le nombre d’articles, traitant de la méthode NSM, référencés durant la mise à jour de la base de données est de 11.

PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE DE RENFORCEMENT ÉTS

L’inconvénient majeur des techniques classiques est la problématique du décollement (Partie 1), en partie, due à la faible force de tension obtenue de la surface de béton. Celle-ci limite les forces d’adhérence entre le béton et le matériau composite (c’est pourquoi généralement une préparation de la surface de béton est pratiquée avant la pose du renfort). Il en résulte une rupture prématurée par décollement du matériau composite. De ce fait, la valeur maximale de résistance au cisaillement obtenue n’est jamais optimale. L’efficacité des méthodes classiques s’en trouve diminuée. Les méthodes actuelles présentent aussi d’autres défauts : différentes couches de béton renforcées, préparation de surface requise, défaut de protection (feu et vandalisme). C’est dans ce contexte que l’équipe de l’ÉTS a imaginé une nouvelle méthode de renforcement sensée donner de meilleures performances surtout en limitant les effets néfastes dus au défaut d’adhérence. Les objectifs de cette étude sont d’examiner l’efficacité de la méthode ÉTS concernant l’amélioration de la résistance au cisaillement d’une poutre en béton armé donnée. Mais aussi, de comparer le rendement de cette nouvelle méthode en l’opposant à la méthode actuelle qui est celle nommée NSM (Partie 1). Le processus d’investigation a été de vérifier l’efficacité de la méthode ÉTS, de vérifier l’influence de la présence d’étriers et d’observer l’influence de l’espacement des étriers.

Mise en oeuvre Concrètement cette méthode consiste à intégrer des barres de renfort en composite au sein même de la poutre sur une position centrale par rapport à l’axe longitudinal de la poutre. La longueur des barres de renfort est telle que celles-ci, une fois positionnées correctement, sont ancrées dans le plateau de la poutre de section en Té (Chapitre 10). Toute une série de dispositions a été prise pour que la réalisation soit la meilleure possible. Le descriptif du mode opératoire pour la mise en place effective de cette méthode sur nos poutres résulte de la réflexion du groupe de travail de l’ÉTS (Annexe II). Toute amélioration du procédé reste encore possible. Les grandes étapes d’un renforcement par la méthode ÉTS sont données ci-dessous. L’ensemble du processus de recherche ainsi que l’évolution des choix de procédés sont donnés en Annexe II. Des trous de diamètre précis (Chapitre 10) doivent être réalisés sur la poutre. Une vue en coupe montre l’aspect final d’un trou au sein de la poutre (Figure 9.1).

Afin de faciliter l’implantation des barres avec la résine, celles-ci sont taillées en pointe pour qu’elles se centrent d’elles-mêmes par rapport à l’extrémité du trou (réalisée avec un diamètre inférieur pour faciliter le centrage de la barre (figure 9.1)). Les trous doivent être propres avant d’injecter la résine. Le nettoyage à l’eau est recommandé par notre équipe. Les trous sont bouchés à l’aide d’une résine spéciale aux extrémités pour empêcher toute fuite lors de la pose du renfort (Annexe II). Il est injecté ensuite une quantité de résine estimée par l’opérateur dans le trou puis on insère délicatement la barre en évitant la formation de bulles d’air dans le trou (qui aurait un impact négatif sur la force d’adhésion de la résine). Une fois cette étape réalisée, un temps de pause doit être observé pour la prise de la résine. Le renforcement ÉTS ainsi fait est photographié ci-dessous (figure 9.2). Celui-ci modifie très légèrement l’aspect de la poutre.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 COMPORTEMENT DES POUTRES EN BÉTON ARMÉ À L’EFFORT TRANCHANT
1.1 Problématique du cisaillement dans les poutres en béton armé
1.2 Fissuration et mode de rupture
1.3 Paramètres d’influence majeurs
CHAPITRE 2 MÉTHODES ET MODÈLES DE CALCUL
2.1 Introduction
2.2 Modèle de l’analogie du treillis (Truss model)
2.3 Théorie du champ de compression (Compression field theory)
2.4 Norme Canadienne (CSA A23.3-04)
2.5 Norme Américaine (ACI 318-05)
CHAPITRE 3 MÉTHODES DE RENFORCEMENT EN CISAILLEMENT DES POUTRES EN BÉTON ARMÉ
3.1 Introduction
3.2 Renforcement en PRF collé en surface (Externally Bonded
3.3 Barres en PRF montées en surface dans des rainures (Near Surface Mounted)
3.3.1 Présentation
3.3.2 Avantages/Inconvénients
3.3.3 Modes de rupture
3.3.4 Paramètres d’influence
3.3.5 Élément de conception (renforcement en cisaillement)
3.3.6 Problème de l’adhérence
CHAPITRE 4 COMPORTEMENT DES POUTRES EN BÉTON ARMÉ RENFORCÉES EN CISAILLEMENT À L’AIDE DE PRF
4.1 Généralités
4.2 Modes de rupture
4.3 Paramètres d’influence
CHAPITRE 5 CALCUL DES POUTRES RENFORCÉES À L’AIDE DE PRF SELON DIFFÉRENTES NORMES
5.1 Généralités
5.2 Ajout de la contribution du PRF
5.3 Norme canadienne (CSA S806-02)
5.4 Norme Canadienne (CSA S6-06)
5.5 Norme américaine (ACI 440 – 2008)
5.6 Exemple de calcul de renforcement
CHAPITRE 6 PRÉSENTATION DE LA BASE DE DONNÉES
6.1 Introduction
6.2 Contexte des travaux à l’ÉTS
6.3 Nature des données contenues dans la base de données
CHAPITRE 7 TRAVAIL RÉALISÉ SUR LA BASE DE DONNÉES
7.1 La base de données avant les travaux
7.2 Processus de recherche
7.3 Travaux réalisés
CHAPITRE 8 PRÉSENTATION DES RÉSULTATS DE LA MISE À JOUR
8.1 Résultats obtenus
8.2 Propositions d’amélioration du logiciel d’acquisition
CHAPITRE 9 PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE DE RENFORCEMENT ÉTS
9.1 Introduction
9.2 Présentation de la méthode ÉTS
CHAPITRE 10 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
10.1 Introduction
10.2 Description des spécimens
10.3 Matériaux
10.4 Instrumentation et banc d’essais
10.5 Procédure expérimentale
CHAPITRE 11 PRÉSENTATION DES RÉSULTATS
11.1 Résultats généraux
11.2 Résultats par série
11.3 Présentation des déformations
11.4 Présentation de la réponse en déflection
CHAPITRE 12 DISCUSSION DES RÉSULTATS
12.1 Interprétation des résultats
12.2 Résultats concernant les aciers transversaux
12.3 Influence de l’espacement entre les aciers transversaux
12.4 Efficacité des méthodes
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE I EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT D’UN RENFORCEMENT PAR LA MÉTHODE NSM D’APRÈS PARRETTI ET NANNI (2004)
ANNEXE II DESCRIPTION DES ÉTAPES ANTÉRIEURES AUX TESTS
ANNEXE III BIBLIOGRAPHIE UTILISÉE POUR LA MISE À JOUR DE LA BASE DE DONNÉES
ANNEXE IV PROPOSITIONS D’AMÉLIORATION DU LOGICIEL D’ACQUISITION
BIBLIOGRAPHIE

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