Soutenance mémoire
La maitrise de la dégradation des ouvrages d’art en béton pose un défi économique et technologique d’une grande importance. En effet, les opérations de contrôle des ouvrages d’art utilisent des moyens techniques souvent complexes et nécessitent une main d’œuvre hautement qualifiée pour analyser les différents rapports issus de ces opérations.
De telles opérations de contrôle sont couteuses en terme de budget à l’état et donc à l’ensemble de la communauté, surtout lors du contrôle continu des ouvrages d’art. Néanmoins, la surveillance de ces ouvrages est une tâche indispensable à réaliser, afin de préserver la sécurité des usagers.
Conception et pathologies des ouvrages d’art
Généralités
Les différentes catégories d’ouvrages d’art existants
Les ouvrages d’art constituent une partie importante du patrimoine des infrastructures économiques du pays. Les ouvrages d’art rendent possible la liaison routière, ferroviaire ou fluviale (ponts, viaducs, tunnels…), on peut citer également les structures de protection contre l’action de la terre ou de l’eau (murs, digues). Dans certains cas, les ouvrages d’art constituent un moyen de transition entre plusieurs modes de transport (quais, ouvrages portuaires et aéroportuaires). La taille imposante de ces ouvrages rend la touche artistique du concepteur et du réalisateur du projet primordiale afin de préserver le coté esthétique des villes voir l’améliorer d’où l’appellation « ouvrage d’art ». Les ouvrages d’art peuvent être classés en deux catégories : les ouvrages métalliques et les ouvrages en béton, ces derniers peuvent être à leurs tours divisés en deux catégories : les ouvrages en béton armé et les ouvrages en béton précontraint (Figure 1.1). La précontrainte est obtenue soit par pré-tension, soit par post-tension. Il n’est pas rare de trouver des ouvrages mixtes (béton+métal). Le béton est un matériau bon marché, de plus, la flexibilité architecturale qu’il offre a fait que les concepteurs privilégient sa large utilisation dans la réalisation des ouvrages d’art (Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde). D’une autre part, le béton est doté d’une grande résistance à la compression (de l’ordre de 35 MPa), néanmoins, l’utilisation du béton est réduite aux structures de petite taille et de grande épaisseur afin de remédier à sa faible résistance à la traction (de l’ordre de 2.7 Mpa).
Afin de lutter contre les propriétés mécaniques handicapantes du béton, François Hennebique a eu l’ingénieuse idée en 1886 d’utiliser des armatures en acier internes au béton (ferraillage) qui ont pour rôle la lutte contre les efforts de traction et de flexion. L’utilisation du béton pour la construction d’ouvrages de grandes envergures est ainsi devenue possible. Néanmoins, cette catégorie d’ouvrages d’art (en béton armé) ne peut pas supporter tous types de charges appliquées. En effet, les armatures passives sont limitées en flexion. Lors du passage d’un chargement imposant, la poutre constituant l’ouvrage d’art subit une flexion au niveau de sa partie inférieure. Des fissures peuvent apparaître mettant la stabilité de la poutre et de l’ouvrage d’art en péril ainsi que la sécurité des usagés de l’ouvrage .
En 1928, Eugène Freyssinet à utilisé les câbles pour introduire une force de compression dans les poutres en béton éliminant ainsi toutes forces de traction que peut subir la poutre, cette dernière ne subit que des forces de compression. Comme le béton est doté d’une grande résistance à la compression, l’ouvrage est plus sûr à l’usage et sa durée de vie est remarquablement rallongée. Cette catégorie de béton s’appelle “béton précontraint”. Le procédé de fabrication des poutres précontraintes reste complexe, il exige une technicité importante et engendre un coût élevé. Il est généralement privilégié lors de la construction des ouvrages d’art de grandes envergures. Outre les ouvrages d’art en béton armé ou en béton précontraint, ils existent d’autres catégories d’ouvrages tels que les ponts suspendus et les ponts à haubans.
Procédés de fabrication des poutres précontraintes
D’une manière générale la précontrainte d’une poutre consiste à appliquer un force à cette dernière en tendant les armatures dites actives (câbles). Le béton qui constitue la poutre se trouve ainsi en compression tandis que les câbles subissent une traction. Lorsque la poutre subit un chargement lié au trafic, la compression initialement imposée au béton lui permet d’annuler l’effet de la traction générée par le chargement. Deux procédés de fabrication permettent la précontrainte des structures: la précontrainte par pré-tension et la précontrainte par post-tension.
La précontrainte par pré-tension
La pré-tension est couramment utilisée pour la construction des ponts de petites et moyennes tailles, elle est également utilisée dans le bâtiment. Les armatures actives (câbles) sont initialement tendus (Figure 1.3a), puis le béton est coulé dans le coffrage. (Figure 1.3b). Une fois le béton durcit, les câbles sont relâchés. Les câbles tentent alors de revenir à l’état initial mais l’adhérence entre le câble et le béton empêche ce retour, ce qui crée une force de compression à l’intérieur du béton (Figure 1.3c). Les poutres précontraintes par pré-tension sont largement utilisées en Algérie notamment dans le projet autoroute est-ouest .
La précontrainte par post-tension
Contrairement à la précontrainte par pré-tension, lors de la fabrication des poutres précontraintes par post-tension, d’abord le béton est coulé autour de gaines qui ont pour rôle la protection de câbles contre les agressions de l’environnement (Figure 1.5a). Une fois le béton durcit, les câbles sont introduits à l’intérieur des gaines (Figure 1.5b), ces câbles seront tendus à l’aide de vérins, en prenant appui sur des zones spécialement ferraillées munies de plaques d’ancrage. Un coulis de ciment ou de cire est injecté à l’intérieur des gaines pour une meilleure protection des câbles. Enfin, La précontrainte est maintenue à l’aide d’ancrages (Figure 1.5c). Les câbles se trouvent ainsi dans un environnement protecteur contre les agents agressifs de type chlorures, l’acier est passivé grâce au PH basique qu’offre le coulis de ciment. Dans le cas de la précontrainte par post-tension le tracé des câbles de précontrainte à l’intérieur de la structure peut prendre des formes curvilignes, ceci afin d’assurer une meilleure résistance de l’ouvrage lui permettant de lutter contre les efforts appliqués tel que le trafic.
Le progrès technologique a fait qu’ils existent des ouvrages d’art où les gaines utilisées pour la précontrainte par post-tension se trouvent à l’extérieur de l’ouvrage ; c’est la précontrainte externe.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Conception et pathologies des ouvrages d’art
1.1. Introduction
1.2. Généralités
1.2.1. Les différentes catégories d’ouvrages d’art existants
1.2.2. Procédés de fabrication des poutres précontraintes
1.2.2.1. La précontrainte par pré-tension
1.2.2.2. La précontrainte par post tension
1.3. Dégradation des ouvrages d’art en béton précontraint
1.3.1. Symptômes des différents types de dégradation
1.3.1.1. Les dégradations mécaniques
1.3.1.2. Les dégradations physiques
1.3.1.3. Les dégradations chimiques
1.4. Corrosion des armatures induite par les chlorures
1.5. Etude de la corrosion
1.5.1. Formes de la corrosion
1.5.2. Mécanismes de corrosion des câbles dans le béton
1.5.3. Facteurs influençant la corrosion des câbles dans les ponts
1.6. Scénario de défaillance des câbles dans le béton
1.7. Modèles existants de la phase d’inhibition de la corrosion (Incubation)
1.7.1. Modèles de pénétration des ions de chlorures dans le béton
1.7.1.1. Modèles de Val : (convection+diffusion)
1.7.1.2. Modèles de Vu et al. : (Diffusion)
1.7.2. Concentration des ions chlorures à la surface des ouvrages
1.7.3. Le coefficient de diffusion des chlorures
1.7.3.1. Modèle de Saetta
1.7.3.2. Modèle de Samson
1.7.3.3. Modèle de Matsumura
1.7.3.4. Modèle de Hobbs
1.7.4. Concentration critique des ions chlorures
1.7.5. Temps d’initiation de la corrosion
1.8. Propagation de la corrosion (croissance des piqûres)
1.8.1. Modèle de Val et al
1.8.2 Modèle de Darmawan et stewart
1.8.3. Calcul des surfaces corrodées
1.8.4. Réduction de la résistance à l’attraction des armatures corrodées
1.9. Conclusion
Chapitre 2 Choix des variables aléatoires et des modèles probabilistes
2.1. Introduction
2.2. Concepts fondamentaux de la de la fiabilité
2.3. Fonction d’état limite
2.4. Détermination des variables aléatoire dans le cas des ouvrages d’art menacés par la corrosion
2.4.1. Variables aléatoires liées aux conditions environnementaux
2.4.1.1. Température à la surface des ouvrages d’art et humidité relative
2.4.1.2. Modélisation du réchauffement climatique
2.4.1.3. Modélisation de la concentration des ions Cl-à la surfaces des ouvrages d’art Cs
2.4.1.4. Coefficient de diffusion des ions Cl-
2.4.1.5. Concentration critique des ions Cl- (Ccr)
2.4.2. Variables aléatoires liées aux propriétés mécaniques et géométriques des matériaux
2.4.2.1. Propriétés mécaniques et géométriques des câbles
2.4.2.2. Propriétés mécaniques et géométriques du béton
2.4.2.3. La résistance à la compression du béton
2.4.2.4. La résistance à la traction du béton
2.4.2.5. Le module d’élasticité du béton Ec
2.4.2.6. Dimensions des poutres en béton
2.4.3. Variables aléatoires liées aux chargements de l’ouvrage d’art
2.5. Conclusion
Chapitre 3 Modélisation numérique EF 3D du comportement des câbles de précontrainte
3.1. Introduction
3.2. Modèles existants
3.2.1. Modèle de Hruska
3.2.2. Modèle de Mac Connell et Zemek
3.2.3. Modèle de Machida et Durelli
3.2.4. Modèle de Costello
3.2.5. Modèle de Labrosse
3.3. Modélisation par éléments finis des câbles de précontrainte
3.3.1. Câble à modéliser
3.3.2. Prise en compte du contact entre les fils
3.3.3. Conditions aux limites
3.3.4. Maillage du câble
3.3.5. Méthode de résolution adoptée
3.4. Analyse des résultats de la simulation numérique
3.4.1. Calcul de la raideur de traction kεε
3.4.2. Calcul de la raideur de torsion kθθ
3.4.3. Calcul du terme de couplage kεθ
3.4.4. Calcul du terme de couplage kθε
3.5. Etude de la précision des modèles analytiques
3.6. Comparaison entre le modèle EF sous Abaqus et le modèle EF sous autre logiciels
3.7. Conclusion
Conclusion générale
