Soutenance mémoire
Modélisation de l’interface acier-béton
Description phénoménologique et mécanismes intrinsèques
Généralités sur l’interface acier-béton
Définition
1) Interface acier-béton : C’est la zone de contact entre les deux matériaux. Cette zone se compose du béton autour de la barre d’acier et des nervures de l’acier.
2) Comportement de l’interface : c’est la relation entre la contrainte transférée et le déplacement relatif de la face du béton par rapport à celle de l’armature dans les directions tangentielle et radiale :
– Contrainte d’adhérence et glissement dans la direction tangentielle
– Contrainte normale et ouverture/pénétration entre la face de béton et celle d’acier dans la direction radiale .
Ces contraintes résultent des interactions mécaniques entre les deux matériaux béton et acier.
Les lois de comportement de l’interface sont nécessaires pour intégrer l’impact de l’interface dans la modélisation des structures. La relation la plus importante pour décrire le comportement de l’interface est celle entre la contrainte tangentielle et le glissement relatif de l’armature.
Rôle de l’interface
L’interface a pour rôle de permettre le transfert des efforts entre le béton et l’acier. Elle assure le bon fonctionnement de l’ensemble des deux matériaux afin d’obtenir la capacité portante de la structure.
Dégradation de l’interface
C’est la dégradation de la zone du béton autour de la barre d’acier qui entraîne une diminution ou une perte de l’adhérence et une augmentation du déplacement relatif entre le béton dans la structure et l’armature.
Mécanismes intrinsèques de l’interface
Dans le but d’étudier l’impact de l’interface sur le comportement de la structure, seules les armatures actives sont considérées. Ainsi, on ne va s’intéresser qu’aux armatures de haute adhérence (HA) dans les structures en béton armé. Les armatures lisses ne sont pas considérées dans cette étude. Les recherches sur les mécanismes intrinsèques de l’interface ont été réalisées depuis longtemps au travers d’études expérimentales et numériques. Elles ont pour but de déterminer :
– Les mécanismes de transfert des contraintes au niveau de l’interface.
– Les causes et l’évolution de la dégradation du béton dans la zone de l’interface.
– La taille de la zone d’activation de l’interface.
– Les paramètres mécaniques et géométriques influençant le comportement de l’interface.
– L’influence de l’endommagement de l’interface sur la rupture de la structure.
Essai de tirant avec la technique d’injection de l’encre de Goto
Goto a employé un spécimen de forme parallélépipédique. Sa section est de 100 x 100 mm2 et sa longueur est de 1 m. Au milieu, il a placé une barre nervurée standard de 19 mm de diamètre. 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.
Cette étude fournit plusieurs informations qualitatives sur la configuration des réseaux de fissures internes dus à l’activation de l’interface. Ce sont les fissures internes transversales qui causent l’endommagement du béton et diminuent la rigidité de l’interface alors que les fissures internes longitudinales qui se développent entraînent le fendage des éprouvettes. Quand on applique des forces de traction aux deux extrémités de la barre, il y a tout d’abord des fissures transversales nommées fissures primaires qui divisent l’éprouvette en quelques petits tirants (sous-tirants) dont la longueur est environ de 25 cm. Ces fissures sont dues à la faible résistance de traction de la barre de béton. Ensuite, on ne voit pas de nouvelles fissures primaires qui apparaissent parce que la longueur de 25 cm de chaque segment n’est pas suffisante pour que la contrainte dans le béton dépasse sa résistance en traction. Pendant cette période, l’interaction entre le béton et l’acier au niveau de l’interface entraîne la formation de fissures internes transversales autour de la barre. Ces fissures internes se trouvent le plus près des surfaces libres aux deux extrémités de chaque petit tirant (sous-tirant). Elles forment un réseau de fissures internes avec une inclinaison moyenne de 60°. Plus le chargement augmente, plus les fissures internes se développent. Enfin, il y a des fissures transversales secondaires qui atteignent les surfaces extérieures de l’éprouvette.
L’interaction mécanique entre le béton et l’acier provoque aussi des contraintes de traction circonférentielle. Si le béton n’est pas capable de résister à ce type de traction, les fissures internes longitudinales se formeront tout d’abord aux surfaces libres des fissures primaires et se développeront radialement et longitudinalement pour provoquer la rupture longitudinale de l’enrobage.
Essai de tirant avec la technique Moiré cité par Gambarova et al. (cité dans
Il s’agit de coller une grille de Moiré ayant 40 lignes par millimètre sur la surface de l’éprouvette. Une autre grille dite de « référence » non déformable a été posée sur la première grâce à un mince film d’huile de paraffine permettant une adhésion parfaite. Des photos ont été prises au cours de l’essai. Avec cette technique, l’auteur a pu visualiser la micro-fissuration et le glissement relatif le long de la barre. En se basant sur les résultats obtenus, Gambarova et al. [2] ont prouvé l’importance de l’écrasement du béton devant les nervures dans l’augmentation du glissement relatif de l’interface. L’impact de l’écrasement est encore plus grand dans les essais d’arrachement.
Les deux essais de tirant présentés ci-dessus nous montrent les causes de la dégradation de l’interface entre le béton et les nervures de l’acier. Toutefois, les essais de tirant ne permettent pas de voir l’état ultime de l’interface béton-acier. Avec ce type d’essai, la ruine se produit soit par la rupture longitudinale de l’enrobage, soit par la plasticité de l’acier. Donc, l’extraction de la barre d’acier et les phénomènes qui la précèdent n’interviennent pas.
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Table des matières
Introduction
PARTIE I Modélisation de l’interface acier-béton
Chapitre 1 Etat de l’art sur l’interface acier-béton à température ambiante
1.1 Description phénoménologique et mécanismes intrinsèques
1.1.1 Généralités sur l’interface acier-béton
1.1.2 Mécanismes intrinsèques de l’interface
1.2 Modèles de comportement de l’interface et paramètres d’influence
1.2.1 Modèles de comportement
1.2.2 Paramètres influençant sur l’interface
1.3 Implémentation numérique du comportement de l’interface
1.3.1 Utilisation de l’élément « bond-zone »
1.3.2 Utilisation de l’élément bond-link
1.3.3 Construction de nouveaux éléments finis intégrant le comportement de l’interface
1.4 Impacts de l’activation de l’interface sur la structure
1.4.1 Formation des fissures dans l’enrobage
1.4.2 Perte d’adhérence au niveau de la zone d’ancrage
1.4.3 Changement du comportement global à l’échelle de poutre
1.5 Conclusion et orientation de développement
Chapitre 2 Développement d’un modèle de l’interface à haute température
2.1 Impact de la température sur l’adhérence dans la littérature
2.1.1 Premières études
2.1.2 Etude de Diederichs et al
2.1.3 Etude de Morley et al
2.1.4 Conclusions sur l’impact de la température sur l’interface
2.2 Proposition d’un modèle de l’interface à haute température
2.2.1 Développement du modèle à haute température
2.2.2 Conclusion sur le modèle développé
2.3 Intégration numérique du modèle de l’interface dans ANSYS
2.3.1 Elément de ressort COMBIN39 dans l’ANSYS
2.3.2 Modélisation de l’interface à chaud
2.4 Validation
PARTIE II Modélisation du béton
Chapitre 3 Modélisation du béton avec ANSYS
3.1 Modèles plastiques
3.1.1 Les modèles « Extended Drucker-Prager » (EDP)
3.1.2 Modèle plastique Cast Iron
3.1.3 Conclusion sur les modèles plastiques
3.2 Modèles de rupture fragile
3.2.1 Modèle « Cracking & Crushing » (Modèle « Concrete » de ANSYS)
3.2.2 Modèle « Cracking & Plasticity »
3.2.3 Conclusion sur les modèles de rupture fragile
3.3 Evaluation des modèles pour le calcul d’une structure
3.3.1 Caractéristiques de la structure à modéliser
3.3.2 Caractéristiques particulières
3.3.3 Comparaison des modèles plastiques
3.3.4 Comparaison des modèles de rupture fragile
3.3.5 Conclusion
PARTIE III Modélisation de la structure au feu
Chapitre 4 Modélisation thermique des structures
4.1 Description de la structure testée au CERIB
4.2 Généralités sur la modélisation
4.3 Méthodes avancées de la modélisation thermique dans ANSYS
4.3.1 Modélisation du feu
4.3.2 Modélisation du transfert thermique dans l’alvéole
4.4 Résultats et validation
4.4.1 Résultats
4.4.2 Validation
Chapitre 5 Modélisation thermomécanique de la structure exposée au feu
5.1 Description de l’essai à simuler
5.2 Analyse du comportement global de la poutre avec interface béton-acier parfaite
5.2.1 Généralités sur la méthode de modélisation utilisant ANSYS
5.2.2 Méthode de stabilisation non linéaire
5.2.3 Résultat thermique
5.2.4 Résultat mécanique du calcul utilisant le modèle CPVM
5.2.5 Résultats mécaniques du calcul utilisant le modèle CastIron
5.3 Analyse de l’influence du comportement de l’interface béton-acier
5.3.1 Identification des paramètres du comportement de l’interface
5.3.2 Modélisation et résultats
5.4 Conclusion
Conclusions
