Soutenance mémoire
Le collage en génie civil
Connaître les propriétés de l’adhésif utilisé pour assembler les deux substrats est important mais ne suffit pas. Une étape primordiale de l’étude consiste d’une part à tester mécaniquement les assemblages collés au niveau du joint de colle afin d’avoir accès à leur comportement en situation réelle, et d’autre part à étudier la sensibilité de l’ensemble face aux variations de température et d’humidité de l’air.
Étude du comportement mécanique d’un assemblage collé
L’étude expérimentale, via des tests mécaniques, permet de déterminer le point faible d’un assemblage. Plusieurs types de rupture peuvent apparaître . Soit l’adhésion est suffisante, et la rupture a lieu dans le substrat ou dans l’adhésif (rupture cohésive), soit le point faible est l’adhésion, et la rupture a lieu à l’interface (rupture adhésive).
Essais mécaniques
Les essais mécaniques utilisés pour caractériser le comportement des assemblages collés doivent être représentatifs de ce qui se passe au sein d’une structure pendant son service. De nombreux tests mécaniques existent et on distingue trois principaux modes de sollicitation du joint : la sollicitation normale, le pelage et le cisaillement .
Les essais mécaniques utilisés pour caractériser le comportement d’un assemblage collé sont listés dans [Chataigner, 2008]. Dans le cas d’une structure mixte collée, le joint est sollicité principalement en cisaillement. Nous allons donc par la suite nous pencher essentiellement sur les essais mécaniques de cisaillement, notamment les tests les plus utilisés, l’intérêt de ce paragraphe étant d’avoir une vue globale des travaux existants concernant les essais de cisaillement appliqués dans le cas d’assemblages collés en général.
Essais de cisaillement par torsion
L’essai de cisaillement par torsion, également appelé le « napkin-ring test » est largement utilisé dans de nombreux domaines d’ingénierie. L’essai a pour principe de solliciter en torsion deux cylindres collés bout à bout de manière à générer du cisaillement (NF EN 14869-1, ISO 11003-1). Pour que le cisaillement soit constant dans le joint de colle, les cylindres doivent être de fine épaisseur.
L’essai “Thick Adherend Shear Test” (TAST)
Un autre essai de cisaillement très utilisé est l’essai TAST (essai de traction sur éprouvette épaisse) (ISO 11003-2). L’essai consiste à tester en cisaillement des joints à simple recouvrement sur des substrats épais et très rigides, et ayant une faible longueur de recouvrement (Figure 1-27a). La mise en œuvre est facile et se fait à partir d’une machine de traction, mais il a été montré que l’analyse des résultats est fortement influencée par la présence d’effets de bords (Cognard, Créac’hcadec, Sohier, & Davies, 2008). Pour limiter ces effets de bords, des becs ont été usinés dans les substrats proches de l’interface, ce qui rend la réalisation des échantillons plus longue.
L’essai ARCAN
Le dispositif de l’essai ARCAN . Il permet de réaliser un état de sollicitation biaxiale, de combiner les composantes de traction ou compression aux composantes de cisaillement, donc d’étudier l’influence de l’ajout d’une composante hors plan sur le fonctionnement du joint (Cognard J. , 2006).
Les tests présentés ci-dessus sont très étendus notamment sur des substrats métalliques, aluminiums et composites. Ils présentent les inconvénients de nécessiter une instrumentation spécifique et la fabrication d’éprouvettes particulières. La présente étude traite en particulier des assemblages collés bois-béton, nous nous intéressons plus particulièrement aux tests de cisaillement appliqués sur des substrats bois ou béton. En l’occurrence, la bibliographie est large et concerne soit des assemblages béton-béton, béton-composites, ou bois-bois.
Essais de cisaillement simple et double recouvrement
Dans les cas particuliers de substrats en béton ou en bois, ce sont plutôt les tests de cisaillement simple et double recouvrement qui sont utilisés car ils permettent d’étudier l’assemblage à une plus grande échelle et ne requièrent pas de dispositifs particuliers.
– Les joints à simple recouvrement sont très fréquemment étudiés, notamment avec des substrats béton en raison de leur simplicité de mise en œuvre (NF-EN 1465, ISO 4587). L’essai existe sous deux variantes : traction-cisaillement ou compression-cisaillement où la sollicitation est inversée .
Concernant les tests de cisaillement sur bois lamellé-collé, la norme NF EN 392 (Bois lamellécollé : essais de cisaillement des joints de collage) propose une variante de l’essai à simple recouvrement, en compression cisaillement. On peut citer aussi les travaux de Schäfers et al (Schäfers & Seim, 2010) dans lesquels il effectue un test de cisaillement compression à simple recouvrement sur un assemblage bois BFUP collé via une résine époxy ;
– L’essai de cisaillement à double recouvrement est basé sur le même principe que celui à simple recouvrement mais l’échantillon testé est composé de deux joints de colle chargés simultanément. Il est utilisé car il réduit l’excentricité du chargement par rapport à l’essai à simple recouvrement et donc l’effort de flexion. Cet essai est l’essai standard utilisé pour les assemblages collés acier-béton sous forme d’essais Push-Out (Johnson & Anderson, 1993 ; Jurkiewieza & Hottierb, 2005 ; Carputi, Noto, & RussoErmolli, 1981). En plus du cas d’assemblages collés à substrat béton ou bois, l’essai de cisaillement à double recouvrement est utilisé dans les cas d’assemblages bois-béton usuels, c’est-à-dire assemblés grâce à des connecteurs métalliques.
On peut citer de nombreux travaux dont ceux de Branco et al qui comparent différents tests de cisaillement simple et double recouvrement proposés dans l’Eurocode 5 (Branco, Cruz Paulo, & Piazza, 2009) appliqués aux assemblages mixtes bois-béton connectés par des connecteurs métalliques.
On peut citer aussi les travaux de Lukaszewska, Johnsson et Fragiacomo (Lukaszewska, Johnsson, & Fragiacomo, 2008) dans lesquels les auteurs testent les performances en cisaillement compression à simple recouvrement de corps d’épreuve bois-béton pour l’utilisation de planchers mixtes préfabriqués bois-béton (Figure 1-29). Plusieurs types de connecteurs discontinus ou continus sont testés ainsi qu’un cas avec collage de connexion dite par « adhérence des substrats », où les grilles de métal sont collées via une résine époxy aux substrats bois et béton afin de renforcer l’adhérence acier-substrat.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Motivations
1.1.1 Les assemblages bois-béton
1.1.1.1 Exemples de structures mixtes bois-béton
1.1.1.2 Les systèmes de connexion
1.1.2 Étude de la durabilité d’assemblages bois-béton
1.2 Propriétés et vieillissement des matériaux
1.2.1 Le bois
1.2.1.1 Structure du bois
1.2.1.2 Hygroscopie du bois et propriétés de transfert
a) Taux d’humidité du bois et point de saturation des fibres (PFS)
b) Hystérésis de sorption
c) La diffusion hydrique
1.2.1.3 Variations dimensionnelles du bois : retrait et gonflement
1.2.1.4 Comportement mécanique du bois
a) Modules d’élasticité
b) Résistances
c) Comportements mécaniques et taux d’humidité
d) Les effets différés et les couplages hydromécaniques
1.2.2 Le béton
1.2.2.1 Généralités sur le béton
1.2.2.2 Comportement mécanique des bétons
a) Résistances et modules
b) Comportement mécanique des bétons
1.2.2.3 Phénomènes de retrait
1.2.2.4 Propriété de fluage des bétons
1.2.3 Les colles
1.2.3.1 Mécanismes d’adhésion
1.2.3.2 Les colles structurales
1.2.3.3 Propriétés de vieillissement d’une résine structurale
a) Effets de la température
b) Effets de l’humidité
c) Effets de sollicitations mécaniques
1.3 Le collage en génie civil
1.3.1 Étude du comportement mécanique d’un assemblage collé
1.3.1.1 Essais mécaniques
a) Essais de cisaillement par torsion
b) L’essai “Thick Adherend Shear Test” (TAST)
c) L’essai ARCAN
d) Essais de cisaillement simple et double recouvrement
1.3.2 Études de la durabilité d’assemblages collés
1.3.2.1 Vieillissement d’assemblages collés μ étude des propriétés d’adhérence
1.3.2.2 Vieillissement d’assemblages bois-béton usuels
1.3.3 Conclusion
1.4 Conclusion, stratégie de la recherche
2 MATERIAUX ET METHODES EXPERIMENTALES
2.1 Propriétés des matériaux
2.1.1 Les bois
2.1.1.1 Propriétés mécaniques du bois
a) Propriétés mécaniques du lamellé-collé
b) Modules d’élasticité de l’épicéa et du douglas (bois massif)
2.1.1.2 Hygroscopie du bois
a) Courbes de sorption
b) Coefficients de diffusion
2.1.1.3 Retrait et gonflement du bois
2.1.2 Les colles
2.1.2.1 Caractéristiques des résines
2.1.2.2 Vieillissement des résines
2.1.3 Les bétons
2.2 Méthodes expérimentales
2.2.1 Essais mécaniques : essais Push-Out
2.2.2 Tests de chargement hydrique
2.2.2.1 Les corps d’épreuves
2.2.2.2 L’essai d’imbibition
2.2.2.3 Tests de chargement hydrique sous humidité relative élevée
2.3 Exploitation des essais μ analyse par corrélation d’images 2D
2.3.1 Principe de la technique de corrélation d’images 2D
2.3.1.1 Mesure du champ de déplacement
2.3.1.2 Calcul du champ de déformation
2.3.1.3 Évaluation des incertitudes de mesures
a) Origine des incertitudes
b) Minimiser les erreurs, mise en place de l’essai
c) Évaluer les erreurs
2.3.2 Analyse de champs de déformation sur les essais Push-Out
2.3.3 Utilisation de la technique pour les essais de chargement hydrique
2.3.3.1 Observation de la surface entière de l’éprouvette (champ macroscopique)
2.3.3.2 Observation de l’interface avec un champ de 1 cm
2.3.4 Récapitulatif des essais de corrélation d’images numériques
3 ESSAIS PUSH-OUT SUR ASSEMBLAGES COLLES BOIS-BETON
3.1 Mise au point de l’essai Push-Out
3.1.1 Dimensionnement des éprouvettes, étude théorique
3.1.1.1 Longueur d’ancrage
3.1.1.2 Répartition des contraintes le long du joint de colle
3.1.1.3 Application à une structure réelle (poutre mixte bois-béton collée)
3.1.2 Protocole expérimental et exploitation de l’essai
3.1.3 Résultats de la série préliminaire (série 0, colle époxy)
3.1.3.1 Protocole de fabrication des éprouvettes
3.1.3.2 Résultats expérimentaux
3.2 Choix de la colle (série 1, trois types de colles)
3.2.1 Réalisation des assemblages collés
3.2.2 Résultats expérimentaux
3.2.2.1 Essais avant vieillissement
3.2.2.2 Essais après vieillissement
a) Suivis des échantillons au cours du vieillissement
b) Résultats expérimentaux
c) Compléments d’étude par analyse d’images numériques
3.3 Conclusion
4 TENUE DES ASSEMBLAGES BOIS-BETON SOUS CHARGEMENT HYDRIQUE
4.1 Déformations libres d’un échantillon de bois, validation de l’essai
4.1.1 Validation de la technique DIC pour les tests d’imbibition
4.1.1.1 Mise au point de l’essai
4.1.1.2 Évaluation des effets de bords
a) Validation mesures DIC / mesures palmer
b) Corrélation champ de déformation / hauteur de remontée d’eau
4.1.1.3 Déformations libres du bois soumis à un test d’imbibition
4.1.2 Validation de la technique DIC pour les tests de chargement sous HR
4.1.2.1 Mise au point de l’essai
4.1.2.2 Déformations libres du bois soumis à HR=97 %
4.2 Comportement hydromécanique de l’assemblage bois-béton
4.2.1 Série 1 : Tests sous imbibition – échantillons épicéa-mortier
4.2.1.1 Orientation convexe des cernes – colle époxy
4.2.1.2 Orientation concave des cernes – colle époxy
4.2.1.3 Colle polyuréthane – colle acrylique modifiée
4.2.1.4 Conclusion
4.2.2 Série 2 : Assemblages avec mortier – tests sous HR=97 %
4.2.2.1 Cas épicéa-mortier sens convexe
4.2.2.2 Cas épicéa-mortier sens concave
4.2.2.3 Conclusion
4.2.3 Série 3 : assemblages avec BFUP – tests sous HR=97 %
4.2.3.1 Épicéa-BFUP – Orientation convexe des cernes
4.2.3.2 Épicéa-BFUP – sens concave des cernes
4.2.3.3 Douglas-BFUP
4.2.3.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
