Soutenance mémoire
Essais utilisés pour identifier les paramètres d’interface acier – béton
Dans le contexte des recherches menées pour bien comprendre les mécanismes intrinsèques de l’interface acier-béton et leur impact sur le comportement de la structure, de nombreux essais expérimentaux ont été réalisés dans la littérature. Ces tests se sont concentrés plus fréquemment sur des aciers ronds lisses et à haute adhérence. Au contraire, il n’y a pas de grandes études sur les aciers plats. On présente ici une classification des divers types d’essais expérimentaux qui ont servi de base à des modélisations par la suite. Cette classification est la suivante :
• Essais d’arrachement direct (pull-out test).
• Essais de tirant à double traction (double traction tie test).
• Essais de poutre (beam test).
Ces essais sont basés sur le même principe : extraire une barre d’acier d’un massif de béton. En effet, la barre d’acier est toujours soumise à un effort qui se rapproche de la traction directe. Le béton subit des chargements différents d’un essai à l’autre.
Essais sur les aciers ronds traditionnels
Essai d’arrachement direct ou Pull-out test
Les essais d’arrachement sont les essais d’adhérence les plus utilisés pour étudier le comportement de l’interface acier-béton. Ces essais ont pour but de déterminer la résistance maximale de l’interface. Ils consistent à placer une barre d’acier, lisse ou à haute adhérence, au milieu d’un bloc de béton (cylindrique ou prismatique) et à appliquer un chargement croissant à la barre jusqu’à la ruine du système. Les types de ruines souvent rencontrés pour ce type d’essai sont : ruine par l’extraction de la barre d’acier, ruine par l’apparition de macro-fissures longitudinales ou transversales, ruine par la plastification de la barre. L’état de contrainte-déformation de la zone d’interface dans l’essai d’arrachement est dû non seulement à l’activation de l’interface mais aussi à l’enrobage du béton. Pour un enrobage petit, on n’utilise pas cet essai pour observer les phénomènes intrinsèques au cours de l’évolution du comportement de l’interface, car les fissures dans ce cas se développent rapidement vers la surface du béton et on ne peut pas exploiter toutes les informations. La RILEM [50] recommande d’utiliser des éprouvettes de section carrée 10d × 10d (d est le diamètre de la barre d’acier rond). Cependant, on trouve aussi dans la littérature des campagnes expérimentales qui utilisent des éprouvettes cylindriques comme Bigaj [7] 50cm x 50d ou Rosaty [59] 172cm x 12d. Dans le cas d’un enrobage suffisamment grand, cet essai présente bien l’état ultime de l’interface : ruine due à des fissures cylindriques par l’extraction de la barre d’acier. Cela permet d’identifier les phénomènes intrinsèques qui causent la diminution de la résistance et la ruine de l’interface. Ce type d’essai est aussi utilisé souvent pour étudier l’influence des paramètres géométriques (enrobage, diamètre de la barre,…) et mécaniques (résistance du béton, confinement latéral,…) sur la résistance de l’interface [20], [25], [32],[37], [66].
Essai d’arrachement de Eligehausen, Popov et Bertero
Il s’agit de l’étude la plus complète sur l’interface acier-béton ce qui en fait, à ce titre, une référence. Elle comprend des recherches expérimentales et analytiques qui permettent de prédire (analytiquement) le comportement local de l’interface acier-béton. Une campagne de 125 essais d’arrachement a été réalisée. Les éprouvettes ont une longueur d’ancrage de 5d (cinq fois le diamètre de la barre ronde).
Les auteurs ont étudié l’influence sur l’interface des paramètres suivants : l’histoire de chargement, l’effet de confinement du renforcement, le diamètre des barres d’acier, la résistance à la compression du béton, l’espacement des barres, la pression latérale et la vitesse de chargement. En se basant sur les résultats obtenus, ces auteurs ont établi un modèle analytique, local et prédictif pour la relation contrainte-glissement qui prend en compte tous ces paramètres.
• Pour les chargements monotones, sur la FIGURE 2.5, la relation contrainte-glissement pour l’interface présente une allure toujours caractéristique pour des essais de type « pull-out ». La rigidité diminue de sa valeur initiale jusqu’à zéro quand on se rapproche de la résistance maximale. Après le pic, la résistance diminue jusqu’à une valeur résiduelle qui correspond à la résistance ultime par frottement.
• Pour les chargements cycliques, la dégradation de la résistance et de la rigidité de l’interface dépend du moment où le déchargement aura lieu et aussi de la valeur maximale de glissement atteint. Si les cycles de chargement sont réalisés à un glissement dont la valeur de contrainte correspondante est inférieure à 80% de la contrainte de cisaillement maximale (obtenue sous chargement monotone), la réduction de la résistance est modérée. Par contre, si la contrainte correspondante est supérieure à 80% de sa contrainte de cisaillement maximal, la résistance et la rigidité de l’interface seront plus détériorées.
Quelques remarques sur l’essai d’arrachement
Le faible coût et la simplicité sont reconnus comme les principaux avantages de ce type d’essai. C’est l’essai le plus utilisé pour analyser et étudier l’ancrage d’une armature dans un bloc de béton. Toutefois, il y a quelques critiques sur de ce type d’essai.
• Il n’y a pas de consensus sur les dimensions optimales de l’éprouvette, de la longueur d’ancrage et de la longueur libre à l’extrémité. Les dimensions du béton dans ces tests sont souvent plus importantes que celles recommandées dans les guides de construction, cela engendre une augmentation de l’effet de confinement. Pour les essais d’arrachement de Tepfers [66], la longueur de l’interface était de 4,8 cm, avec un enrobage très important de 90 cm. De l’autre côté, Shima [62] a étudié l’influence de la longueur libre (0Φ, 2,5Φ et 5Φ) sur le comportement de l’interface. Il a constaté qu’il n’y a aucune influence paticulière de la longueur libre sur le comportement de l’interface.
• Le chargement appliqué sur les éprouvettes est principalement de la traction pure ou de la compression pure, sans couplage avec un autre type de chargement (flexion ou torsion). Ceci ne correspond pas à une situation réelle.
• Il est très difficile de connaître l’état de contrainte sur toute l’interface acier-béton. Le déplacement est relevé à l’extrémité de la barre, et n’est pas réellement celui en tout point de l’interface. Les résultats sont ensuite présentés sous forme de graphique représentant la relation glissement-force.
• Ce type d’essai semble être plus délicat à utiliser si on veut étudier la fissuration, même si certains auteurs ont essayé de comprendre les mécanismes de fissuration.
Essai de tirant
Comme dans le cas d’un essai d’arrachement, un essai tirant utilise une éprouvette cylindrique ou prismatique dans laquelle on a placé une barre d’acier (lisse ou cranté) au milieu du corps en béton et ensuite appliqué les forces sur deux extrémités de la barre. Les efforts de traction sont transférés de la barre d’acier vers le béton grâce à l’interface entre eux.
Pour l’essai de tirant classique, on remarque que la fissuration est détectée lorsqu’elle apparaît en surface, au moment où le comportement de l’interface est très avancé. Pour les essais pilotés en déplacement imposé, chaque apparition de fissure entraîne une chute de l’effort normal dans le tirant (FIGURE 2.6). L’essai tirant est utilisé pour étudier les caractéristiques spécifiques de la fissuration (la distribution, le nombre, l’espacement, l’ouverture des fissures) dans le béton en présence de la barre d’acier. Grâce à la simplicité, cet essai permet observer l’influence de la dégradation de l’interface acier-béton sur le profil final du réseau des fissures.
Essai de tirant de Goto
Cette campagne d’essai consiste à étudier l’état de fissuration par l’injection d’encre dans l’éprouvette pendant le chargement. Goto a utilisé des éprouvettes de section tranversale 100 mm × 100 mm et une longueur de 1 m. Une barre ronde crantée de 19 mm de diamètre a été placée au milieu. Les deux extrémités de la barre d’acier ont été soumises aux efforts de traction jusqu’à un chargement maximal dont la valeur se rapproche du seuil de résistance de l’acier. Deux conduits ont été placés parallèlement à l’axe de la barre d’acier pour injecter de l’encre dans les fissures. Après le déchargement, le spécimen a été scié longitudinalement afin d’examiner la distribution des fissures internes .
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Problématique industrielle
1.2 Problématique scientifique
1.3 Objectifs généraux de la thèse et méthodologie
2 Etat de l’art
2.1 Généralité sur l’interface acier-béton
2.2 Essais utilisés pour identifier les paramètres d’interface acier – béton
2.2.1 Essais sur les aciers ronds traditionnels
2.2.1.1 Essai d’arrachement direct ou Pull-out test
2.2.1.2 Essai de tirant
2.2.1.3 Essai de poutre – Essai de flexion
2.2.2 Essais sur les aciers plats
2.2.2.1 Essai de poutre armée par acier plat
2.2.2.2 Essai d’arrachement
2.2.2.3 Essai de tirant renforcé par acier plat
2.3 Mécanismes physiques dans les différentes approches de la littérature
2.3.1 Dégradation de la liaison observable sur un essai d’arrachement
2.3.2 Description des mécanismes intrinsèques de l’interface acier-béton par étude expérimentale numérique
2.3.3 Différents types de ruptures des structures dues à l’activation de l’interface
2.3.4 Paramètres influençant le comportement de l’interface
2.4 Modèles d’interface – Bilan des différentes approches
2.5 Conclusion
3 Modélisation probabiliste de la fissuration des structures en béton armé
3.1 Objectif et philosophie de la modélisation
3.2 Fissuration probabiliste du béton
3.2.1 Le modèle de fissuration explicite (éléments de contact)
3.2.2 Le modèle de fissuration semi-explicite (modèle macro)
3.2.3 Différences entre les deux approches de la fissuration du béton
3.3 Modélisation du comportement de l’interface acier-béton
3.3.1 Modèle d’interface local
3.3.2 Discussion sur les échelles de modélisation
3.4 Méthodologie d’identification des paramètres du modèle d’interface proposé
3.4.1 Essai sur tirants
3.4.1.1 Description de l’essai sur tirants
3.4.1.2 Caractéristiques des matériaux utilisés
3.4.1.3 Procédure de coulage des tirants
3.4.1.4 Dispositf expérimental
3.4.1.5 Méthode d’analyse (dépouillement) des résultats expérimentaux
3.4.1.6 Résultats obtenus
3.4.2 Comparaison avec les calculs réalisés selon l’Eurocode 2
3.4.3 Etude paramétrique : méthodologie générale
3.4.3.1 Détermination des valeurs des paramètres relatifs au modèle d’interface local 2D
3.4.3.2 Analyse des résultats obtenus : exemple du tirant renforcé par acier plat 25 x 3,5 mm2 (équivalent à un rond HA Φ10)
3.4.3.3 Influence de l’excentrement de la barre et de la structuration du béton qui l’entoure
3.4.3.4 Comparaison des résultats obtenus avec les deux modèles de fissuration du béton – Modèle discret vs. modèle macroscopique
3.4.3.5 Simulation des tirants avec les crantages représentés explicitement
3.4.3.6 Récapulatif de tous les résultats obtenus
3.4.3.7 Simulation 3D des tirants renforcés par aciers plats crantés
3.5 Interprétation des résultats obtenus par différents aciers
3.6 Résumé et Conclusions
4 Conclusion
