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Généralité sur l’interface acier-béton
D’une manière générale, un élément structural en béton armé est un système complexe fait de plusieurs composantes (béton, acier, interface) dont les comportements sont très différents l’un de l’autre. Le comportement de la structure dépend essentiellement non seulement des comportements du béton et de l’acier mais encore de celui de l’interface acier béton. Par définition, on peut considérer que l’interface est une zone du béton qui entoure l’acier, et qui n’a a priori aucune forme spécifiée. Sa forme dépend directement de celle de l’acier : type de l’acier (lisse, cranté), type de matériau (carbonne, inox), type de rugosité (empreinte, relief ou verrou, nervure).
Le comportement de l’interface est représenté par l’adhérence qui est un phénomène complexe, et permettant d’assurer une liaison entre deux surfaces en contact et de transmettre une sollicitation exercée suivant la surface de contact des deux matériaux. Au sens du béton armé, une fois que le béton est soumis à des chargements extérieurs, la mise en charge des armatures est nécessaire pour le fonctionnement normal de la structure. Ainsi, ce rôle est assuré par l’interface ; cette dernière doit permettre une transmission totale des efforts sans glissement des armatures dans la gaine de béton avant sa détérioration. Une fois que la détérioration de l’interface a eu lieu, elle provoque une perte d’adhérence qui entraîne ensuite un changement de comportement de l’acier et du béton. Il est donc nécessaire de connaître le comportement de l’interface lors des calculs des structures.
L’investigation du comportement de l’interface présentée par Lutz and Gergely [32] fournit une évaluation compréhensible du mécanisme de l’interface dans la structure. Cette investigation est supportée par des campagnes expérimentales et numériques de nombreux chercheurs (Broms [9] [10], Lutz et al.[31], Rehm [46], and Watstein and Mathey [69]). Lutz et Gergely ont conclu que la transmission de l’effort entre le béton et l’acier se fait par l’action des trois phénomènes physiques suivants :
• Une adhésion physico-chimique
• Une interaction mécanique des nervures causée par la déformation entre l’acier et le béton.
• Un frottement .
Ces phénomènes physiques dépendent de différents paramètres : les dimensions de la structure, la nature du béton, l’armature de renforcement et ses caractéristiques . Pour les aciers nervurés, l’interaction mécanique est le mécanisme principal qui gouverne le comportement de l’interface. Au contrainte, l’adhésion physico-chimique et le frottement sont les mécanismes qui dominent le comportement de l’interface dans le cas des aciers lisses. Sous l’action de ces phénomènes physiques, selon la théorie de Caquot, deux types de contraintes peuvent se développer au niveau de l’interface (FIGURE 2.2) :
• des contraintes de cisaillement engendrées par le glissement selon l’axe de la barre. Si l’effort axial croît, ces contraintes peuvent entraîner la rupture du béton suivant des surfaces coniques inclinées un angle d’un 45◦ avec l’axe de la barre (Perchat [41], Tepfers [66], Tilantera and Rechardt [67]).
• des contraintes radiales perpendiculaire à l’axe de la barre.
La compréhension de ces mécanismes physiques permet d’établir les lois de comportement de l’interface qui sert ensuite à intégrer son impact dans la modélisation du comportement des structures. De façon générale, trois grandes catégories de recherches ont été adoptées pour l’investigation et l’identification du comportement d’interface :
• Les concepts théoriques et l’adaptation des normes de calcul.
• L’étude expérimentale et phénoménologique.
• L’implémentation des modèles numériques.
La littérature comporte de très nombreuses références dans ce domaine. Quelques unes sont présentées ici à titre d’exemple.
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.
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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
