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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
N dordre : .
Srie : .
Mmoire
Prsent en vue de lobtention du Diplme de Master en gnie
civil
Option
Voies et ouvrages dart
Thme
Renforcement des poutres en bton arm leffort tranchant par
matriaux composites
tude comparative rglementaire-
Prsent par:
CHETTAH Mahieddine GUERRAICHE Newfel
Encadreur : Prof. Chikh - N Universit des frres MENTOURI.
Juin 2015
MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES FRERES MENTOURI
CONSTANTINE
Facult des Sciences de la Technologie
Dpartement : Gnie civil
:
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i
Remerciements
Nous remercions ALLAH, le tout puissant qui nous a guid et donn
la force et
la volont de raliser ce travail.
Nous remercions tout dabord le Professeur Mr CHIKH-N de nous
avoir
propos ce sujet de mmoire, de lattention quil a port notre
travail et des
moments de discussions prcieuses quil nous a rserv. Nous le
remercions
infiniment pour sa confiance, ses prcieux conseils, sa
disponibilit et sa
courtoisie.
Nos sincres remerciements sont aussi adresss envers nos collgues
pour un
temps agrable et une ambiance exemplaire passe ensemble.
Toute notre gratitude, notre reconnaissance et nos trs vifs
remerciements tous
ceux qui ont contribu de prs ou de loin et en particulier
l'ensemble des
enseignants du dpartement de gnie civil de Constantine, notre
formation.
Pour terminer, nous tenons sincrement remercier nos parents et
toutes nos
familles qui nous ont soutenus dans nos choix et nous ont
encourag raliser
cette mmoire.
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ii
Ddicaces
Merci Allah de m'avoir donn la capacit d'crire et de rflchir, la
force
d'y croire, la patience d'aller jusqu'au bout du rve et le
bonheur.
Cest un grand Plaisir que je ddie ce modeste travail :
Mon cher pre et ma chre mre;
Mes trs chers frres: Abd El-ghani, Issam-Eddine, et ma petite
sur :
Kawther ;
Qui ont support avec moi toutes les difficults matrielles,
financires et
morales qui se sont poses moi pendant la priode de ralisation de
ce
travail.
A toute ma famille : ma grande mre, mes oncles, mes tantes,
mes
cousins et mes cousines ;
A tous mes amis et plus particulirement : Yasmine et Fouad, avec
qui
nous avons partag des bons et mauvais moments ;
A mon binme GUERRAICHE NEWFEL pour son aide ;
A toute la promo de voies et ouvrages dart 2015 ;
Enfin, a tous ceux que jaime et ceux qui maiment.
**CHETTAH MAHIEDDINE**
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iii
Ddicaces
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iv
Rsum :
Le renforcement leffort tranchant des lments en bton arm avec
des polymres renforcs
de fibres (PRF) colls en surface, est en fait un sujet de
recherche loin d'tre compltement
rsolu.
Ce mmoire traite le cas des poutres en bton arm. Il prsente une
tude comparative des
prescriptions relatives au renforcement leffort tranchant entre
les guides internationaux
existants.
Son but est de contribuer, travers des investigations thoriques
et exprimentales obtenues
de la littrature la comprhension du comportement des poutres en
bton arm renforces
leffort tranchant l'aide de PRF.
Il prsente galement une analyse des paramtres majeurs influenant
la contribution du
composite la rsistance leffort tranchant en relation avec les
quations actuelles des
diffrentes normes.
Enfin, une reprsentation des diffrentes tapes ncessaires un tel
processus d'tude pour
choisir certains des paramtres et tudis, et les rsultats
attendus qui peuvent tre obtenues
par le recours la revue de la littrature.
Mots cls : polymre renforc de fibres (PRF), renforcement leffort
tranchant, poutre en
bton arm, norme, paramtre.
-
v
SOMMAIRE
Page
NOTATIONS........ ix LISTE DES FIGURES...... xi LISTE DES
TABLEAUX..... xiv INTRODUCTION GNRALE......
1
CHAPITRE 1: GNRALITS........ 3 1.1 Introduction .......... 3 1.2
Les principales causes de dsordres affectant les ouvrages...... 3
1.3 Les diffrentes techniques de renforcement...... 5 1.3.1
Renforcement par chemisage en bton arm......... 5 1.3.2
Renforcement par chemisage en acier....... 6 1.3.3 Renforcement par
des tles colles....... 7 1.3.4 Renforcement des structures par
prcontraintes additionnelles.... 8 1.3.5 Renforcement des
structures par matriaux composites renforcs de fibres. 10 1.3.5.1
Historique et avantages.. 10 1.3.5.2 Applications... 11 1.3.5.3 Le
principe de la rparation...
11
CHAPITRE 2: LES MATRIAUX COMPOSITES......... 12 2.1 Introduction
.......... 12 2.2 Polymres renforcs de fibres PRF ......... 12 2.3
Les constituants dun polymre renforc de fibres....... 13 2.3.1 Les
fibres....... 13 2.3.1.1 Les fibres de carbone (PRFC).... 13
2.3.1.2 Les fibres de verre (PRFV).... 14 2.3.1.3 Les fibres
d'aramides (PRFA)....... 14 2.3.1.4 Les fibres de basaltes
(PRFB)....... 14 2.3.1.5 Les Caractristiques des fibres et renforts
.... 15 2.3.2 Les matrices............... 16 2.3.2.1 Les rsines
thermodurcissables (TD)..... 17 2.3.2.2 Les Rsines thermoplastiques
(TP)....... 17 2.3.3 Les diffrentes techniques de mise en uvre des
matriaux composites PRF..... 18 2.3.3.1 Le moulage au
contact....... 19 2.3.3.2 Le moulage au sac (sous vide)....... 19
2.3.3.3 Pultrusion....... 19 2.3.3.4 Collage de plaques
composites..........
20
CHAPITRE 3: COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM A LEFFORT
TRANCHANT .......... 21
3.1 Introduction .......... 21 3.2 Fissuration......... 21 3.3
Modes de rupture....... 22 3.3.1 Le type de poutre........... 22
3.3.2 Les dimensions des poutres (effet dchelle)........ 23 3.3.3
Le taux d'armature longitudinale (l'effet goujon).......... 24
3.3.4 Le taux darmature transversale.... 25 3.3.5 Leffort axial..
25 3.4 Modles de calcul leffort tranchant des poutres en bton
arm.... 25 3.4.1 Modle du treillis 45 (Truss model).......... 25
3.4.2 Modle du treillis angle variable........ 26 3.4.3 Thorie du
champ de compression (Compression Field Theory)......... 28
-
vi
3.4.4 Thorie modifie du champ de compression (Modified
Compression Field
Theory)...... 29 3.5 Calcul leffort tranchant des poutres en
bton arm selon les normes et codes. 31 3.5.1 Le code
BAEL91........... 31 3.5.2 Le rglement EC2.......... 31 3.5.3 La
norme Amricaine ACI 318-05............ 32 3.5.4 La norme Canadienne
CSA-A23.3-04...... 33 3.5.5 La norme Canadienne CSA-S6-06.... 34
3.5.6 La norme Franaise AFGC-03.......... 36 3.5.7 La norme
Italienne CNR-DT200-04......... 36 3.5.8 La norme Europenne FIB-TG
9.3. 2001......
36
CHAPITRE 4: COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM
RENFORCE AU MOYEN DE MATERIAUX COMPOSITES
LEFFORT TRANCHANT....... 37 4.1 Introduction .......... 37 4.2
Diffrentes configurations de renforcement leffort tranchant.......
38 4.2.1 Configuration latrale........ 39 4.2.2 Configuration
transversale............ 40 4.3 Modes de rupture....... 41 4.3.1 Le
dcollement du renfort composite............ 41 4.3.2 La dlamination
du renfort composite....... 42 4.3.3 La fracture des fibres..... 42
4.3.4 L'crasement du bton....... 42 4.4 Paramtres influenant la
poutre renforce par composite... 43 4.4.1 Effet du rapport
a/d........... 43 4.4.2 Effet des Proprits du PRF.......... 44
4.4.3 Effet de la configuration du renfort PRF .............. 45
4.4.4 Effet de l'acier transversal......... 45 4.4.5 Effet de
l'acier longitudinal....... 46 4.4.6 Effet d'chelle............
47
CHAPITRE 5: SYNTHSE BIBLIOGRAPHIQUE............. 48 5.1
Introduction .......... 48 5.2 J-D. Berset (1992)..... 48 5.2.1
Rsum.......... 48 5.2.2 Programme Exprimental.............. 49
5.2.3 Rsultats et Discussion.......... 49 5.2.4 Modle
propos............. 50 5.2.5 Conclusions........... 50 5.3 A.
Khalifa et A. Nanni (2000)........... 50 5.3.1 Rsum.......... 50
5.3.2 Programme Exprimental.............. 51 5.3.3 Rsultats et
Discussion.......... 53 5.3.4 Modle propos............. 55 5.3.5
Comparaison entre les rsultats exprimentaux et les valeurs calcules
56 5.3.6 Conclusions........... 57 5.4 B. Tljsten
(2003)................. 57 5.4.1 Rsum.......... 57 5.4.2 Programme
Exprimental.............. 58 5.4.3 Rsultats et Discussion..........
60 5.4.4 Modle propos............. 61 5.4.5 Comparaison entre les
rsultats exprimentaux et les valeurs calcules 62 5.4.6
Conclusions........... 62
-
vii
5.5 G. Monti et M-A. Liotta (2007)................ 63 5.5.1
Rsum.......... 63 5.5.2 Programme Exprimental.............. 63
5.5.3 Rsultats et Discussion.......... 65 5.5.4 Modle
propos............. 66 5.5.5 Comparaison entre les rsultats
exprimentaux et les valeurs calcules 69 5.5.6
Conclusions........... 69 5.6 A. Mofidi et O. Chaallal
(2014)................ 70 5.6.1 Rsum.......... 70 5.6.2 Programme
Exprimental.............. 70 5.6.3 Rsultats et Discussion..........
71 5.6.4 Modle propos............. 73 5.6.5 Comparaison entre les
rsultats exprimentaux et les valeurs calcules 75 5.6.6
Conclusions........... 75 5.7 Rsum des recherches sur le
renforcement des poutres en bton arm
par collage de PRF leffort tranchant..
76
CHAPITRE 6: CALCUL LEFFORT TRANCHANT DES POUTRES EN BTON ARM
RENFORCES PAR MATERIAUX COMPOSITES SELON
LES NORMES ET
CODES....................................................... 77 6.1
Introduction .......... 77 6.2 Ajout de la contribution du PRF la
rsistance leffort tranchant..... 77 6.2.1 La norme Amricaine ACI
318-05............ 77 6.2.2 La norme Canadienne CSA-A23.3-04......
78 6.2.3 La norme Canadienne CSA-S6-06.... 80 6.2.4 La norme
Franaise AFGC-03.......... 80 6.2.5 La norme Italienne
CNR-DT200-04......... 82 6.2.6 La norme Europenne FIB-TG 9.3.
2001...... 83 6.3 Comparaison entre les codes......... 88 6.3.1
Leffort tranchant exprimental versus leffort tranchant
calcul......... 88 6.4 Conclusion.........
93
CHAPITRE 7: PROTOTYPE
EXPRIMENTAL............................................. 94 7.1
Introduction .......... 94 7.2 Dtails exprimentaux....... 94 7.2.1
Poutres mises l'essai dans la phase 1.............. 95 7.2.2
Poutres mises l'essai dans la phase 2.............. 95 7.3 Proprits
des matriaux....... 96 7.3.1 Bton............. 96 7.3.2
Acier.......... 97 7.3.3 Matriaux composite......... 98 7.3.3.1 Les
fibres....... 98 7.3.3.2 Essai en traction......... 98 7.3.3.3 La
rsine......... 99 7.4 Ralisation des poutres en bton arm...... 99
7.4.1 Prparation des Armatures................ 100 7.4.2 Prparation
de la surface des barres.......... 100 7.4.3 Mise en place des
jauges de dformation internes.... 100 7.4.4 Coulage des poutres en
bton arm................... 101 7.4.4.1 Essais de cne
dAbrams....... 101 7.4.4.2 Prparation des prouvettes cylindriques..
102 7.4.4.3 Essai de compression.......... 102 7.4.4.4 Essai de
traction par fendage..... 103 7.5 Collage du tissu......... 103
-
viii
7.5.1 Prparation du support bton................. 104 7.5.2 Mise
en place des jauges de dformation du bton externes......... 104
7.5.3 Prparation de la colle....... 104 7.5.4 Dcoupages des
matriaux composites............. 105 7.5.5 Pose du tissu..........
105 7.5.6 Jauges de dplacement.......... 105 7.6 Procdure
exprimentale....... 106 7.6.1 Chargement appliqu.................
106 7.6.2 Capteurs de dplacement........... 107 7.6.3 Mise l'essai
et acquisition des donnes....... 107 7.7 Analyse des
rsultats................. 108 7.7.1 Modes de rupture........... 108
7.7.2 Phase 1........... 108 7.7.3 Phase 2........... 110 7.8
Comparaison des rsultats des tests aux prvisions des
normes........... 111 7.9 Conclusion.............
112
CONCLUSION GNRALES....
113
RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES.. 115
-
ix
NOTATIONS
BA : Bton arm
PRF : Polymre Renforc de Fibre
PRFA : Polymre Renforc de Fibre dAramide PRFB : Polymre Renforc
de Fibre de Basalte
PRFC : Polymre Renforc de Fibre de Carbone
PRFV : Polymre Renforc de Fibre de Verre
: Dimension des granulats
: La surface du PRF
: Aire des cbles de prcontrainte
: Laire de larmature longitudinale : La section des armatures
transversales : Section darmature transversale pour une distance
> bv : Largeur effective de la poutre
D : Effort de compression exerc dans les bielles de bton
: La hauteur utile de la section : La profondeur effective du
PRF
dv : Distance entre les aciers longitudinaux infrieurs et
suprieurs
: Module d'lasticit dacier : Module dlasticit des cbles de
prcontrainte
: Module de dformation longitudinale du PRF
: La rsistance en compression du bton fd : Contrainte de
compression dans les bielles de bton
: La limite dlasticit des armatures transversales : La rsistance
caractristique la traction du bton
fty : Rsistance en traction des armatures transversales
: Contraintes principales de traction
: Contrainte principale de compression du bton
: Contrainte principale maximale de compression du bton
jd : Distance entre le centre de gravit de larmature
longitudinale tendue et celui du bloc
comprim
: Coefficient qui tient compte de la rsistance de bton :
Coefficient qui tient compte de configuration : Coefficient de
rduction : La longueur de la liaison efficace : La longueur de la
liaison quivalente
: Moment pondr lappui intermdiaire
: Le moment flchissant ultime n Nombre de couches de PRF
N : Effort de traction exerc sur les armatures
longitudinales
: Charge axiale pondre normale la section P : Effort vertical
exerc sur la poutre
: Coefficient de rduction : Le rayon arrondi du coin : La
rsistance caractristique du bton cubique
s : Espacement entre les armatures transversales
: Lespacement entre les bandes PRF
: Paramtre despacement des fissures : La valeur quivalente de
l'espacement des fissures verticales dans l'me
-
x
: Lpaisseur du PRF
: Epaisseur de la dalle V : Effort de cisaillement dans la
section
: Leffort tranchant repris par le PRF
: Leffort tranchant repris par le bton : Leffort tranchant
repris par lacier transversal : La largeur du PRF
: La largeur effective du PRF
Lettres grecques : : Angle entre les bielles de bton et les
armatures horizontales
: Coefficient indiquant l'endommagement du bton : Coefficient
partiel de scurit pour PRF
: Lallongement la traction ultime du PRF
: La dformation transversale dans le bton
: La dformation longitudinale dans le bton
: La dformation principale de compression dans la bielle : Angle
des fissures diagonales par rapport 1' axe de la poutre
: Facteur tenant compte de la densit du bton : Taux de renfort
en PRF
: Taux de renforcement de 1' acier transversal
: Le taux de renforcement longitudinal
: Le taux darmature longitudinale tendue
: La rpartition de contrainte de cisaillement
: Facteur de rsistance du bton
: Facteur de rsistance dacier
-
xi
LISTE DES FIGURES
Page
Figure 1 Evolution du trafic...... 3 Figure 2 Dispositions viter
4 Figure 3 Rnovation dune ancienne poutre...... 4 Figure 4
Ouverture de passages en dalles pour un ascenseur.... 4 Figure 5
Corrosion dune pile de pont
..............................................................................
5 Figure 6 Procdure de diminution des fissures. 5 Figure 7
Renforcement dune poutre avec chemisage en bton arm... 6 Figure 8
Diffrents schmas de renforts des poutres par chemisage en bton.. 6
Figure 9 Renforcement dune poutre avec chemisage en Acier 7 Figure
10 Application de plats mtalliques selon le procd de LHermite... 7
Figure 11 Diffrents schmas de renforcement des poutres par plaques
dacier :
(a- flexion ; b- cisaillement) 8 Figure 12 Renforcement des
poutres par prcontraintes additionnelles. 8 Figure 13 Types de
prcontrainte additionnelle.. 7 Figure 14 Diffrent cas dapplication
du PRF 11 Figure 15 Principe dune rparation par matriaux
composites.. 11 Figure 16 Diffrentes lois de comportements des
fibres. 12 Figure 17 Organigramme des diffrentes familles de
fibres... 13 Figure 18 Quelques formes disponibles de renforts en
fibres. 15 Figure 19 Organigramme des diffrentes familles de
matrices... 16 Figure 20 Moulage au contact. 19 Figure 21 Moulage
au sac de tissu pr-imprgn 19 Figure 22 Schma du procd de
pultrusion... 19 Figure 23 Diffrentes sections de PRF pultrudes. 19
Figure 24 Renforcement de poutres vis--vis de leffort tranchant 20
Figure 25 Types de fissures dans une poutre en bton arm... 21
Figure 26 Porte de cisaillement. 22 Figure 27 Une poutre en BA
endommage par la perte de ladhrence due au
cisaillement. 22 Figure 28 Une poutre en BA endommage par la
contrainte principale oblique 23 Figure 29 Une poutre en BA
endommage par la compression due au cisaillement.. 23 Figure 30 Une
poutre en BA endommage par endommage par flexion.. 23 Figure 31
Influence de la taille de la poutre sur la rsistance en
cisaillement 24 Figure 32 volution de la rsistance ultime en
cisaillement en fonction du taux
d'armature longitudinale pour diffrents types d'acier 24 Figure
33 Influence de l'effort axial sur la rsistance en cisaillement du
bton.. 25 Figure 34 Analogie de treillis.. 26 Figure 35 Equations
dquilibre du modle du treillis 45... 26 Figure 36 Reprsentation en
ventail et en champ de compression des diagonales dans
le modle du treillis. 27 Figure 37 Simplification par Marti du
modle du treillis angle variable. 27 Figure 38 quilibre des forces
dans le modle du treillis angle variable. 27 Figure 39 Les
dformations dans un lment fissur en bton arm.. 28 Figure 40
Relation contrainte-dformation dans un lment fissur.. 29 Figure 41
Distribution des contraintes de tension dans les bielles comprimes.
29 Figure 42 quilibre des forces dans la thorie modifie du champ de
compression.. 30 Figure 43 Dfinition de et pour dterminer ... 32
Figure 44 Tissus en matriaux composites. 37 Figure 45 Comparaison
de comportement entre les poutres renforces et celles non
renforces 37 Figure 46 Comparaison de comportement entre
diffrents matriaux 38 Figure 47 Renfort continu vertical.. 39
-
xii
Figure 48 Renfort continu inclin... 39 Figure 49 Renfort par
bandes vertical. 39 Figure 50 Renfort par bandes inclin.. 39 Figure
51 Renforcement en face latrale 40 Figure 52 Renforcement en U :
(a- sans ancrage ; b- avec ancrage).. 40 Figure 53 Renforcement par
confinement.. 41 Figure 54 Schma dune poutre dont la rupture sest
produit par dcollement du renfort
composite... 41 Figure 55 Schma dune poutre dont la rupture sest
produit par dlamination du renfort
composite 42 Figure 56 Schma dune poutre dont la rupture sest
produit par fracture des fibres. 42 Figure 57 Influence du rapport
a/d sur le gain en charge d au PRF.. 43 Figure 58 Dformation
effective du renfort en PRF en fonction de sa rigidit.. 44 Figure
59 Influence de la configuration du renfort PRF sur les modes de
rupture. 45 Figure 60 Influence du taux d'acier transversal sur le
gain en charge d au PRF :
poutres profondes; b- poutres lances)... 46 Figure 61 Influence
du taux d'acier longitudinal sur le gain en charge d au PRF. 46
Figure 62 Influence de la taille des poutres sur le gain en charge
d au PRF. 47 Figure 63 La gomtrie et la disposition des prouvettes
: (a- l'armature d'acier ;
b- Feuilles de PRFV ; c- la section de poutres renforces)... 48
Figure 64 Courbes charge/dformation pour les diffrentes poutres
testes.. 49 Figure 65 Dtaille et dimensions des poutres.. 51 Figure
66 Installation dprouvettes et configurations de renforcement. 53
Figure 67 Le systme dancrage pour la poutre BT6.. 53 Figure 68 Les
rsultats exprimentaux en termes de charge/flche mi-porte 54 Figure
69 les modes de rupture... 54 Figure 70 Dimensions utiliss pour
dfinir la zone de PRF : (a- bandes verticales;
b- bandes inclines) 55 Figure 71 Dtaille et dimensions des
poutres pour lessai de flexion en quatre points.. 57 Figure 72
Diffrentes schma dprouvettes mises en test. 59 Figure 73 Mesure de
la dformation sur la hauteur de la poutre une fissure de (45). 60
Figure 74 Courbe charge/dformation pour les diffrentes poutres
mises en test.. 60 Figure 75 Les dformations dans la direction des
fibres 90% de la charge de rupture 61 Figure 76 Conception de base
pour le calcul de la contribution des composites PRF au
cisaillement li des structures en bton 61 Figure 77 Dtaille et
dimensions des poutres pour lessai de flexion en trois points. 63
Figure 78 Modes de rupture : (a) REF1; (b) REF2; (c) SS90; (d)
SS45; (e) SSVA; (f)
SF90; (g) US90; (h) US60; (i) USVA; (j) USV+; (k) US45+; (l)
US90 (2);
(m) UF90. 65 Figure 79 Modes de rupture: (a) REF3; (b) REF4; (c)
US45 ++ (d) US45 + '' A ''; (e)
US45 ++ '' B ''; (f) US45 ++ '' C ''; (g) US45 + '' D ''; (h)
US45 ++ '' E ''; (i)
US45 ++ '' F ''; (j) WS45. 66 Figure 80 Dimensions et rpartition
des contraintes le long du PRF.. 67 Figure 81 Comparaison entre les
rsultats des tests et les valeurs calcules des quations
proposes, le modle de Chen et Teng et lACI. 69 Figure 82 Dtails
de poutres en bton arm: (a- lvation, b- prouvette sans armature
transversale, c- prouvette avec armature transversale). 70
Figure 83 Charge en fonction de: (a- la flche mi-porte, b- la
dformation dans les
triers). 72 Figure 84 Charge en fonction de la flche mi-porte...
72 Figure 85 Les modes de rupture.. 73 Figure 86 Exemple de
configuration des poutres en T avec un tissu PRF: (a- surface
de
liaison colle latralement ; b- surface de liaison quivalente
colle
latralement ; c- surface de liaison colle en forme de U ; d-
surface de liaison
quivalente colle en forme de U).. 74
-
xiii
Figure 87 Comparaison entre les rsultats de test et les valeurs
calcules suivant les
diffrents codes... 92 Figure 88 Tableaux Excel utiliss dans les
calcules.... 93 Figure 89 Caractristiques des poutres mises l'essai
dans la phase 1... 95 Figure 90 Caractristiques des poutres mises
l'essai dans la phase 2... 96 Figure 91 Courbe
Contrainte-dformation obtenue dun essai de traction simple sur
lacier.. 97 Figure 92 chantillons dun tissu bidirectionnel en
PRFC. 98 Figure 93 Essai de traction sur prouvette composite. 99
Figure 94 Courbe Contrainte-dformation obtenue dun essai de
traction dune
prouvette en PRFC 99 Figure 95 Ferraillage des poutres 100
Figure 96 Prparation de surface dune barre dacier. 100 Figure 97 La
disposition de jauges avant le coulage du bton 101 Figure 98
Btonnage... 101 Figure 99 Essai standard daffaissement. 101 Figure
100 Mise en place du bton dans les prouvettes cylindriques. 102
Figure 101 Courbes contrainte-dformation obtenue dun essai de
compression sur le
bton... 102 Figure 102 Essai de traction par fendage.. 103
Figure 103 Dcoffrage des poutres... 103 Figure 104 Prparation de
surface du support bton..... 104 Figure 105 Jauge de dformations
externes.............................................. 104 Figure
106 Rsine poxy pour tissu de renforcement... 105 Figure 107 Mesure
et dcoupage du tissu en fibres de carbone... 105 Figure 108 Pose du
renfort en PRFC. 105 Figure 109 Jauges de dplacement 106 Figure 110
Squence de chargement des spcimens: (a) profond; (b) lanc... 106
Figure 111 Disposition des jauges et des capteurs de dplacement..
107 Figure 112 Essai de flexion 3 points. 107 Figure 113 Systme
d'acquisition des donnes..... 108 Figure 114 Modes de ruptures des
poutres testes.... 108 Figure 115 Courbes Effort-flche mi-porte-
Phase 1.... 109 Figure 116 Dformations du bton selon diffrentes
paisseurs du PRFC- Phase 1.... 110 Figure 117 Courbes Effort-flche
mi-porte- Phase 2.... 111
-
xiv
LISTE DES TABLAUX
Page
Tableau 1 Comparatif des mthodes de renforcement ... 9 Tableau 2
Proprits de matriaux composites par secteur 10 Tableau 3 Proprits
mcaniques des fibres de renforcement .... 15 Tableau 4 Comparaison
qualitative entre les fibres..... 16 Tableau 5 Caractristiques
physiques et mcaniques des rsines thermodurcissables
(TD)....................................................................................................................
17
Tableau 6 Proprits des rsines thermoplastiques (TP). 18 Tableau
7 Comparaison entre les deux types de rsines...... 18 Tableau 8
Comparaison entre les diffrents modes de ruptures en fonction des
types de
poutres..... 22 Tableau 9 Comparaison entre les diffrents modes
de ruptures en fonction des types de
poutres renforces par PRF. 43 Tableau 10 Description des
prouvettes testes.... 49 Tableau 11 Proprits des matriaux. 49
Tableau 12 Rsultats des tests... 50 Tableau 13 Proprits des
matriaux..... 51 Tableau 14 Comparaison entre les rsultats des
tests et les valeurs calcules.. 56 Tableau 15 Proprits des matriaux
et les diffrents modes de rupture... 59 Tableau 16 Comparaison
entre les rsultats des tests et les valeurs calcules.. 62 Tableau
17 Diffrentes schma, notation et la capacit de cisaillement
exprimentale des
poutres testes..... 64 Tableau 18 Proprits du PRFC.... 71
Tableau 19 Rsultats exprimentaux..... 71 Tableau 20 Comparaison du
entre les rsultats des tests, les valeurs calcules du
modle proposes et les diffrentes normes en fonction du
coefficient .... 75 Tableau 21 Proprits des poutres testes et les
paramtres tudies ... 76 Tableau 22 Valeurs du facteur .. 78 Tableau
23 Rsume les quations des codes traits prcdemment.... 84 Tableau 24
Valeurs des diffrents paramtres... 88 Tableau 25 Les rsultats des ,
, et le gain suivant les diffrents codes... 89 Tableau 26
Comparaison entre et suivant les diffrents codes 90 Tableau 27
Paramtres dinfluences considres par les guides internationaux... 93
Tableau 28 Programme exprimental 94 Tableau 29 Composition et
proprits du bton 97 Tableau 30 Proprits mcaniques de l'acier. 97
Tableau 31 Proprits des matriaux composites.. 98 Tableau 32
Proprits mcaniques des matriaux composites aprs lessai de
traction... 99 Tableau 33 Charges, flche et mode de rupture - Phase
1. 109 Tableau 34 Charges, flche et mode de rupture - Phase 2. 110
Tableau 35 Contributions du bton et l'acier transversal : rsultats
des tests versus
prdictions thoriques. 111 Tableau 36 Contributions du PRF :
rsultats des tests versus prdictions thoriques... 112
-
1
INTRODUCTION GNRALE
Introduction :
La majorit des ouvrages de gnie civil construits en bton arm
sont dimensionns
pour une dure de vie de cent ans en moyenne.
Cependant, cette dernire des fois dpasse par quelques
constructions, ou rduite par
des diffrents types de dsordres, do la ncessit dun renforcement
et/ou dune
rparation pour assurer la scurit des usagers avant darriver leur
limite de vie utile.
Au cours des dernires annes, une mthode innovatrice de
renforcement est propose.
Celle-ci consiste l'utilisation des matriaux composites base de
fibres en polymre
(Polymre Renforc de Fibre, PRF), pour le renforcement externe
des structures en
bton arm.
Grace leurs caractristiques mcaniques et physico-chimiques,
leurs faibles densits,
leurs remarquables rsistances la corrosion, leurs trs bonnes
tenues la fatigue ainsi
que leurs facilits dinstallation, les matriaux composites sont
apparus trs clairement
comme la solution plusieurs problmes rencontrs.
En consquence, de nombreux aspects ont t abords, et de nombreux
codes et
rglements ont t publis dans le monde (par exemple : ACI 440.2R,
CSA S806, CSA
S6, AFGC, CNR-DT 200, FIB-TG 9.3).
Ces derniers, traitant du renforcement externe des poutres et
des dalles en flexion et le
confinement des colonnes sont prsent des aspects bien
documents.
Toutefois, le renforcement leffort tranchant des poutres en bton
arm prsente un
certain degr de complexit, ce qui a ncessit des tudes
approfondie (analytiques et
exprimentales) pour laborer des approches et modles de
calculs.
Problmatique et objectifs:
Des tudes rcentes ont mis en vidence les principaux paramtres
d'influence lis ce
phnomne qui nont toujours pas t inclus par les codes et les
normes existants.
Lobjectif de ce travail est de mettre en relief ces principaux
paramtres travers les
points suivants :
Prsenter une analyse exhaustive des paramtres majeurs influenant
la
contribution du composite la rsistance des poutres en bton arm
leffort
tranchant ;
Contribuer, travers des investigations thoriques et des
comparaisons entre les
diffrentes tudes exprimentales, la comprhension du comportement
des
poutres en bton arm renforces leffort tranchant l'aide de PRF
;
Prsente une tude comparative entre les quations actuelles des
diffrents
guides internationaux existants.
-
2
Contenu de Mmoire :
Ce travail est organis en sept chapitres :
Elle commence par une introduction gnrale dont on dfinit au
pralable la
problmatique du sujet et les objectifs recherchs.
Le premier chapitre prsente des gnralits sur les principales
causes de dsordres
qui conduisent un renfort structurel et les diffrentes
techniques de renforcement des
structures en bton arm.
Le deuxime chapitre prsente une introduction aux matriaux
composites, leurs
constituants, leurs caractristiques mcaniques et physiques et
les diffrents procds de
mise en uvre des renforts composites.
Le troisime chapitre prsente une revue sur le comportement des
poutres en bton
arm leffort tranchant non renforces, les diffrents modes de
ruptures ainsi les
diffrents modles et normes de calcul leffort tranchant.
Le quatrime chapitre prsente une revue sur le comportement des
poutres en bton
arm leffort tranchant renforces par matriaux composite, les
diffrentes
configurations de renforcement, les diffrents modes de ruptures
et les paramtres
influenant.
Le cinquime chapitre prsente une synthse bibliographique de
diffrentes tudes
exprimentales des chercheurs sur le renforcement des poutres en
bton arm leffort
tranchant par collage extrieure de PRF.
Le sixime chapitre prsente les diffrentes quations de calcul de
leffort tranchant
des poutres en bton arm renforces par matriaux composites selon
les normes et
codes et une comparaison entre leffort tranchant exprimental
recueillis de la littrature
et leffort tranchant calcul partir dun logiciel Excel de notre
propre programmation
en se basant sur les formules dcrites prcdemment.
Le septime chapitre prsente un prototype exprimental dune tude,
en numrant
les diffrentes tapes pour mener un essai de flexion 3 point sur
des poutres en bton
arme renforces par PRF leffort tranchant et les rsultats obtenus
grce cette
modle.
Ce travail est finalis par une conclusion gnrale qui fait une
rvision des principales
conclusions tires de ce thme de recherche.
-
Chapitre 1 GNRALITS
3
CHAPITRE 1: GNRALITS
1.1. Introduction :
Le choix du procd de rparation et des matriaux mettre en uvre
est du ressort du
maitre de louvrage ou du maitre duvre qui lassiste. Il est
dfinit en fonction de la nature
et de limportance des dsordres constats en tenant compte des
critres conomiques. [1]
Ce choix doit rsulter dune analyse prcise du processus de
dgradation et implique de
procder systmatiquement a une auscultation et a un diagnostic
pralable des structures
endommages.
Suivant les diffrentes causes de dsordres, les oprations de
maintenance des ouvrages
consistent :
Les protger en limitant la corrosion et en assurant de
meilleures conditions
dtanchit ;
Les rparer en cherchant compenser les pertes de rigidit ou de
rsistance ;
Les renforcer en amliorant les performances et la durabilit de
louvrage ;
Dempcher, si possible, le renouvellement des dsordres.
1.2. Les principales causes de dsordres affectant les ouvrages
:
Accroissement des charges qui sollicitent la structure :
Changement dusage de la structure (exemple: btiment dhabitation
rhabilit en centre commercial),
Augmentation du niveau dactivit dans la structure (exemple:
anciens ponts soumis au trafic actuel),
Installation de machinerie lourde dans les btiments
industriels.
Figue -1- Evolution du trafic
Dfauts dans le projet ou dans lexcution : armature insuffisante
ou mal place, mauvais matriaux, dimensions insuffisantes des lments
structurels.
-
Chapitre 1 GNRALITS
4
Figure -2- Dispositions viter
Rnovation des structures anciennes : prise en compte de renforts
par des sollicitations non considres au moment
du projet ou de la construction (vibration, actions sismiques et
autres),
connaissance des insuffisances de la mthode de calcul utilise
lors de la conception, ainsi que des limitations montres par des
structures calcules
durant une poque ou une priode,
vieillissement des matriaux avec une perte des caractristiques
initiales.
Figure -3- Rnovation dune ancienne poutre
Changement de la forme de la structure : suppression de poteaux,
piliers, murs porteurs, largissement de portes de
calcul,
ouverture de passages en dalles pour escaliers ou
ascenseurs.
Figure -4- Ouverture de passages en dalles pour un ascenseur
-
Chapitre 1 GNRALITS
5
Dgts dans la structure : corrosion et diminution de la section
des armatures dans le bton, impacts contre la structure,
incendies.
Figure -5- Corrosion dune pile de pont
Ncessit damliorer les conditions en service : diminuer les
dformations et flches, rduire lintensit des contraintes sur les
armatures, diminuer louverture des fissures.
Figure -6- Procdure de diminution des fissures
1.3. Les diffrentes techniques de renforcement :
Il existe diffrentes techniques de renforcement :
1.3.1. Renforcement par chemisage en bton arm :
Ce procd a dailleurs longtemps t lune des techniques de
rhabilitation les plus courantes. Il consiste en une augmentation
considrable des sections par la mise en uvre dun ferraillage
additionnel lancien lment et dun nouveau bton denrobage pour
favoriser laccrochage. [2]
-
Chapitre 1 GNRALITS
6
Figure-7- Renforcement dune poutre avec chemisage en bton
arm
Elle est utilise pour des poutres me verticale ; elle permet un
enrobage des parties
latrales de lme et rend ainsi le renfort plus effectif.
Plusieurs solutions existent pour obtenir l'union entre la
poutre originale et le renfort par
enrobage, les schmas suivant montrent les plus caractristiques
[3]:
Figure-8- Diffrents schmas de renforts des poutres par chemisage
en bton
1.3.2. Renforcement par chemisage en acier :
Ce type de renforcement est utilis gnralement pour les poteaux
et moins pour les poutres;
lunion de la platine la structure peut se faire par : Collage,
vissage, ou bien ancrage.
Afin d'viter le glissement, les lments en acier supplmentaires
peuvent tre joints au
moyen de boulons d'extension ou lments de fixation spciaux. En
variante, des produits
novateurs peuvent tre galement utiliss, tels que par exemple des
rsines poxy ou collage
par mortier. La section transversale de profils en acier peut
tre tout simplement plat ou
en forme diverse, selon les exigences de conception. [4]
-
Chapitre 1 GNRALITS
7
Cette technique permet damliorer considrablement la rsistance,
dou son efficacit a t clairement dmontre, la fois par les
recherches exprimentales et par des observations sur
le terrain effectues durant le sisme de Northbridge en 1994.
Figure-9- Renforcement dune poutre avec chemisage en Acier
1.3.3. Renforcement par des tles colles :
Ce renfort consiste au collage de bandes d'acier au moyen de
rsines poxy soit pour
renforcer un lment, soit pour remplacer des aciers oublis, ou
mal positionns.
La technique d'utilisation des tles d'acier colles a t utilise
dans le monde entier depuis
plus de 40 ans et, depuis 1975, au Royaume-Uni des recherches
antrieures ont montr que
les plaques d'acier colles aux faces latrales des poutres en
bton arm peuvent amliorer
leur capacit de charge en cisaillement. [5]
tant donn son excution simple et reproductible, cette technique
est largement utilise.
Elle ne ncessite pas de grandes paisseurs de bandes et peut tre
applique tant sur des
poutres plates que sur des poutres me.
Figure-10- Application de plats mtalliques selon le procd de
LHermite
Les matriaux utiliss :
La colle : c'est une rsine poxy choisie pour ses proprits
d'adhrence sur
lacier ainsi que sur le bton.
Colle poxydique
Tle dacier Revtement anticorrosion
-
Chapitre 1 GNRALITS
8
Il faut bien noter que la colle napporte pas de rsistance
mcanique, mais doit transmettre
les efforts.
La tle : les tles d'aciers sont gnralement de qualit courante,
leur
paisseur est limite 3mm de faon leur permettre de suivre les
courbures
du support.
Les plaques dacier colles peuvent tre utilises afin deffectuer
un renforcement en flexion
ou en cisaillement.
Figure-11- Diffrents schmas de renforcement des poutres par
plaques dacier
(a- flexion ; b- cisaillement) [6]
1.3.4. Renforcement des structures par prcontraintes
additionnelles : Ce systme consiste ancrer des cbles en acier au
niveau des latraux de la poutre en
suivant la ligne de distribution d'efforts. Les ancrages se font
au moyen de fixations
mtalliques.
Les cbles sont ancrs et tendus. Ils sont ensuite couverts par un
mortier spcifique. Cette
mthode est gnralement moins coteuse que les prcdentes mais ne
permet pas dobtenir les mmes niveaux daugmentation de rsistances
mcaniques. [7]
Figure-12- Renforcement des poutres par prcontraintes
additionnelles
-
Chapitre 1 GNRALITS
9
Les diffrents tracs de la prcontrainte additionnelle : Le trac
rectiligne :
Simple, plus pratiques et aussi facile le mettre en uvre.
Les pertes par frottement sont localises au niveau des zones
d'ancrages.
Un cblage rectiligne permet damliorer la rsistance au
cisaillement.
Le trac polygonal : Plus efficace que le trac prcdent, il
consiste dvier les cbles.
La mise en uvre est plus complique, cause de la confection des
dviateurs, mais c'est la conception la plus courante.
Les pertes par frottement sont un peu plus fortes que dans le
cas d'un trac rectiligne. [8]
Un trac rectiligne Un trac polygonal
Figure-13- Types de prcontrainte additionnelle
- Le Tableau 1 prsente une tude comparative rapide des
diffrentes techniques de renforcement prsentes dans cette section
:
Tableau 1 : Comparatif des mthodes de renforcement
chemisage en
bton arm
chemisage en
acier
tles colles prcontraintes
additionnelles Avantages -Technique peu
coteuse du fait des
matriaux utiliss.
- Main duvre peu qualifie.
- Courte dure de
ralisation par rapport
au chemisage en bton.
- Bonne ductilit.
- Faible augmentation
des sections.
- il nexige que des interventions mineures sur
la structure ;
- il est dun emploi souple ;
- les renforts sont peu
encombrants.
- viter les efforts
concentrs importants
sur la structure ;
- elle est bien adapte
aux structures minces
et peut ferrailles.
Inconvnients - Augmentation des
sections donc du
poids de la structure.
- Les lments sont
plus encombrants et
mois esthtiques.
- Ncessit de mettre
hors service
louvrage renforcer pendant la dure des
travaux qui est
gnralement longue.
- Cots relativement
lev.
- Main duvre Qualifie (soudure).
- Problme de corrosion
ce qui ncessite un
entretien rgulier.
- Poids des chemises et
difficult de dcoupage.
- Augmentation de la
- loxydation (il demande une protection et un
entretien soign) ;
- impossibilit de
mobilisation de toute la
rsistance en traction des
tles, mme sous faible
paisseur (sollicitation le
long dune face) ;
- ncessit dune prparation spcifique de la
surface traiter (la raideur
- - - La prcontrainte ne
peut, elle seule,
fermer les fissures ;
- - - peuvent cres des
points durs et
- perturber le passage des efforts.
-
-
Chapitre 1 GNRALITS
10
- Transport des
matriaux.
- Ncessit de
coffrages.
- Mise en uvre souvent difficile.
rigidit en flexion ce qui
nest pas souhait dans le cadre du
renforcement
parasismique
(augmentation de
lnergie restitue lastiquement), sauf cas
particuliers (corrosion
ou manque initial des
armatures
longitudinales).
des tles ncessite une
surface parfaitement plane
pour assurer luniformit de lpaisseur de ladhsif) ;
- ncessit dun collage sous pression (vrins), pour
assurer une adhsion
suffisante et viter les bulles
dair dans la couche de rsine de collage ;
- impossibilit de
gnraliser cette technique
des surfaces importantes.
1.3.5. Renforcement des structures par matriaux composites
renforcs de fibres :
1.3.5.1. Historique et avantages :
Initialement dveloppe par les industries navales et aronautiques
dans la dcennie de
1940,
puis tendus plusieurs autres industries, dont l'industrie
automobile et ptrochimique
(1960).
En raison de leurs:
bonnes performances mcaniques telles que la rsistance spcifique
leve et la rigidit ;
faible densit ; grande endurance la fatigue ; amortissement lev
; un faible coefficient thermique ; une rsistance au feu et la
corrosion ; l'limination de la ncessit dchafaudages et rduction des
cots de main-d'uvre; lgret et durabilit, mme lorsqu'ils sont soumis
des environnements relativement
agressifs.
Ces caractristiques avantageuses ont permis un intrt croissant
dans l'industrie de la
construction, les principales applications industrielles de
rhabilitations sont apparues en
Suisse fin 1991, puis en France partir de 1996. [9]
Tableau 2 : Proprits de matriaux composites par secteur
-
Chapitre 1 GNRALITS
11
1.3.5.2. Applications :
La plupart des applications travers le monde de la technique de
renforcement par PRF
polymre renforc de fibres structures historiques se trouvent
dans de vieux btiments
de maonnerie. Cependant, les structures faites de d'autres
matriaux aussi, comme le bois et
en fonte, ou mme vieux bton, ont reu la mise niveau l'aide de
PRF. [10]
En gnral, la techniques de renforcement avec des matriaux
composites peut tre utilis
pour amliorer la ductilit ainsi que la capacit de rsistance en
flexion et au cisaillement de
tous les lments structurels (poteaux, poutres, dalles, murs
porteurs), les lments du pont
(piles, tablier) et dans certains cas, des structures en bton
prcontraint existants.
Figure-14- Diffrent cas dapplication du PRF
1.3.5.3. Le principe de la rparation :
Daprs l'Association Franaise de Gnie Civil (AFGC), Le principe
de la rparation peut tre dcrit par le schma ci-dessous o il est
possible didentifier les diffrents lments du procd constructif :
[11]
Figure-15- Principe dune rparation par matriaux composites
1- Le composite : association dun renfort (fibres) avec une
matrice (polymre). 2- Linterface : est constitue soit de la colle
soit de la rsine. 3- La couche de bton qui peut tre traite en
surface (nettoyage, sablage, couche
dimprgnation, ragrage).
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
12
CHAPITRE 2: LES MATRIAUX COMPOSITES
2.1. Introduction :
Les matriaux composites rsultent dun assemblage d'au moins de
deux ou plusieurs composants de natures diffrentes non miscibles,
dont les proprits se compltent pour
constituer un nouveau matriau qui possde des proprits plus
performants que les
composants seuls ne possdent pas.
Exemples : le bton arm = composite (bton + armature en
acier).
2.2. Polymres renforcs de fibres PRF :
Les matriaux composites en polymres renforcs de fibres PRF sont
des produits de
synthse composs principalement de renforts (fibres) continues,
ou discontinues, imprgns
par un liant appel matrice (rsines), do les proprits mcaniques
sont notamment gouvernes par le comportement (rsistance et rigidit)
des fibres.
Ils sont disponibles sous la forme de tiges, des grilles, des
feuilles et des brins d'enroulement.
[12] Ces composants doivent tres compatibles et solidaires entre
eux, ce qui introduit la notion
d'un agent de liaison.
Les fibres prsentent des rsistances en traction et des modules
dlasticit nettement suprieurs aux matrices polymres qui assurent la
cohsion du matriau composite. [13]
Les fibres utilises pour le renforcement prsentent un
comportement lastique linaire
jusqu' la rupture.
Figure-16- Diffrentes lois de comportements des fibres
Dans le domaine du gnie civil, les composites unidirectionnels
sont les plus courants. Le
comportement mcanique des matriaux composites dpend de plusieurs
facteurs : le type et
lorientation de fibre, la fraction volumique de fibres, le type
de matrice et la mthode de fabrication.
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
13
2.3. Les constituants dun polymre renforc de fibres :
2.3.1. Les fibres :
Les fibres (renforts) contribuent amliorer la rsistance mcanique
et la rigidit du PRF.
Elles sont constitues de plusieurs filaments lmentaires dont les
diamtres varient entre
5m et 25m.
Figure-17- Organigramme des diffrentes familles de fibres
Les exigences structurelles et fonctionnelles souhaitables des
fibres dans les matriaux
composites sont : [14]
Un module d'lasticit lev,
Une haute rsistance et une bonne longation la rupture en
traction,
Une bonne rpartition des efforts entre les diffrentes
fibres,
La stabilit des proprits lors de la manipulation et la
fabrication,
Luniformit du diamtre des fibres et de la surface,
Une duret leve,
La durabilit et un cot acceptable.
En gnie civil, les fibres les plus utilises pour fabriquer les
renforts en PRF, sont :
2.3.1.1. Les fibres de carbone (PRFC):
Les fibres de carbone peuvent tre obtenues partir de brut de
ptrole ou de charbon, ou bien
de manire synthtique au moyen de poly-acrylonitrile.
Il existe deux types de fibres de carbone, celles haute
rsistance (HR) issues dune mise en
uvre par carbonisation, et celles haut module (HM) issues dune
fabrication par
graphitisation.
Les fibres de carbone ont une trs bonne tenue thermique et un
trs faible coefficient de
dilatation. De plus, les fibres de carbone sont inertes
temprature ambiante et vis--vis de la
plupart des agents chimiques.
Renfort
Organiques
Polyesters
Aramides
Inorganiques
Minraux
Cramiques
Mtalliques
Verre
Carbone
Bore
Vgtaux
Bois
Coton papier jute
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
14
2.3.1.2. Les fibres de verre (PRFV) :
Les fibres de verre sont moins chres et prsentent une plus
faible rsistance mcanique mais
une plus grande dformabilit, ce qui les rend la solution la plus
utilise dans plusieurs
applications, tel que le gnie civil, l'industrie des bateaux et
dautomobiles. Par contre Les
plus grands inconvnients des fibres de verre sont les problmes
de relaxation (sensibilits
lhumidit) et leur dgradation par des phases alcalines, mais avec
le choix correct de matrice
les fibres sont protges.
Les diffrents types de fibres de verre, classs selon leurs
applications spcifiques, sont:
Verre E (Electrique) possdant d'excellentes proprits d'isolation
lectrique (le moins cher) ;
Verre S (Rsistant) ayant de trs hautes rsistances et rigidit la
traction (le plus cher) ;
Verre C (Chimique) stable chimiquement dans les environnements
acides ; Verre AR (Alcali-Rsistant) utilis pour prvenir la
corrosion par l'attaque alcaline
dans des matrices cimentaires ;
2.3.1.3. Les fibres d'aramides (PRFA) :
Les fibres d'aramide ont t introduites en 1971, elles sont
obtenues partir de polymres
polyamides aromatiss. La structure de la fibre d'aramide est
anisotrope et donne une plus
grande rsistance et un module dans la direction longitudinale de
la fibre. [15]
Les fibres d'aramide sont produites par plusieurs fabricants
sous diffrents noms de marque
telles que :
Kevlar (Dupont, USA) ;
Twaron (Akzo, Pays-Bas) ;
Technora (Teijin, Japon) ;
SVM (Russie).
Les principaux avantages de ces fibres porte sur :
leur trs grande tnacit qui leur confre une bonne rsistance au
choc et la fatigue ; un comportement lastique en traction et
ductile en compression.
Par contre Les fibres d'aramide sont sensibles aux tempratures
leves et aux radiations
ultra violet .
2.3.1.4. Les fibres de basaltes (PRFB) :
Ces fibres sont obtenues par la transformation de laves dorigine
volcanique. Elles sont
composes de minraux comme le plagioclase, le pyroxne et
l'olivine et prsentent des
proprits chimiques trs intressantes, essentiellement ses
rsistances au feu.
Les fibres de basaltes sont utilises dans des applications des
barres d'armature en composite,
les rsultats des essais physiques ayant montr une rsistance
maximale la traction jusqu'
(4) fois suprieure la rsistance la traction d'une barre
d'armature classique en acier. [16]
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
15
Les diffrents types de fibres peuvent tre transforms suivant des
techniques, telles que le
tissage, tricotage, tressage pour raliser des surfaces textiles
ou toffes. Il est possible de
gnrer des tissus de renfort bi ou tridimensionnel. [17]
Figure-18- Quelques formes disponibles de renforts en fibres
2.3.1.5. Les Caractristiques des fibres et renforts :
La fonction mcanique du renfort doit tre pralablement dfinie,
car le positionnement de la
fibre dfinit une direction privilgie des caractristiques
mcaniques ; ainsi les matriaux
composites sont beaucoup plus efficaces dans la direction des
fibres. [18]
- Le Tableau 3 prsente un rsum sur les principales
caractristiques des fibres de renforcement :
Tableau 3 : Proprits mcaniques des fibres de renforcement
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
16
- Le Tableau 4 prsente une tude comparative rapide de quelques
fibres prsentes dans cette section : [19]
Tableau 4 : Comparaison qualitative entre les fibres
2.3.2. Les matrices :
La matrice est un polymre, thermodurcissable (le plus frquent)
ou thermoplastique. Elle a
pour principal but de transmettre les efforts mcaniques au
renfort. Elle assure aussi quelques
fonctions comme la protection du renfort contre les conditions
environnementales et les
attaques externes, la rpartition des charges et lassemblage des
fibres pour donner la forme
voulue du composites.
Les diffrents paramtres qui influencent les proprits mcaniques
des polymres sont :
la temprature ; la forme et la distribution des masses
molculaires ; la cristallinit; la frquence.
Figure-19- Organigramme des diffrentes familles de matrices
Matrices
Organique
Thermodurcissables
Thermoplastique
Elastomres
Minrale
Cramique
Borures
Carbures
Nitrures Mtalliques
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
17
Deux grandes familles de matrices polymres sont actuellement
utilises:
2.3.2.1. Les rsines thermodurcissables (TD) :
Elles sont associes des fibres longues, leur structure la forme
d'un rseau tridimensionnel,
dont la transformation est irrversible. Du fait de ces
caractristiques plus leves, les rsines
thermodurcissables sont les plus employes actuellement dans la
mise en uvre des matriaux composites. Parmi ceux qui sont les plus
utiliss:
les rsines polyesters (UP) : sont gnralement utilises avec les
fibres de verre ; les rsines vinylester : sont surtout utilises
pour des applications o les rsines
polyester ne sont pas suffisantes ;
les rsines poxyde (EP) : qui possdent de bonnes caractristiques
mcaniques. Elles sont gnralement utilises avec les fibres de
carbone ;
les rsines polyimides thermodurcissables (PIRP) : pour des
applications haute temprature;
les rsines phnoliques (PF) : utilises dans les applications
ncessitant des proprits de tenue aux feux et flammes.
Tableau 5 : Caractristiques physiques et mcaniques des rsines
thermodurcissables (TD)
2.3.2.2. Les Rsines thermoplastiques (TP) :
Elles sont associes des fibres courtes, et forment une structure
rversible dont ils peuvent
tre recycls et utiliss plusieurs fois.
Malgr ces bonnes tenues mcaniques, elles prsentent quelques
inconvnients comme : la
mauvaise adhrence sur les fibres, la viscosit leve et les cots
de fabrication.
Les principales familles thermoplastiques utilises dans les
composites PRF sont :
le polyester-ther-ctone (PEEK) ;
le polypropylne (PPS);
le poly sulfone (PSUL).
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
18
Tableau 6 : Proprits des rsines thermoplastiques (TP)
- Le Tableau 7 prsente une tude comparative rapide des diffrents
types de matrices polymres prsentes dans cette section :
Tableau 7: Comparaison entre les deux types de rsines
2.3.3. Les Diffrentes techniques de mise en uvre des matriaux
composites PRF :
Les matriaux composites utiliss pour le renforcement de poutres
se prsentent,
gnralement, sous la forme de tissus ou de plaques
composites.
Toute mise en uvre de matriaux composites sur une structure
endommage ncessite
d'abord un ragrage de la surface rparer. Celle-ci doit tre plane
et propre. Dans la plupart
des cas, une injection de fissure et un traitement de surface
par sablage sont raliss.
Parmi les diffrentes techniques de mise en uvre des renforts en
matriaux composites sur
un substrat bton compatibles avec les diffrentes applications
gnie civil sont :
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
19
2.3.3.1. Le moulage au contact :
Procd manuel connu par lexpression anglaise (wet lay-up), cette
technique consiste coller
alternativement, des couches de rsine liquide et des couches de
tissu ou des feuilles en PRF
sec sur llment renforcer.
Figure-20- Moulage au contact
2.3.3.2. Le moulage au sac (sous vide) :
Les couches de tissus pr-imprgns pour la rparation sont dcoupes
et appliques sur la
zone renforcer. Une couverture chauffante est ensuite applique
sur la surface des tissus et
une enveloppe tanche raccorde une pompe vide permettant
dappliquer une pression
externe pendant toute la dure du procde.
Figure-21- Moulage au sac de tissu pr-imprgn
2.3.3.3. Pultrusion :
Le procd de moulage par pultrusion permet la fabrication en
continu de profils pleins ou
creux, de formes complexes avec, si besoin est, des paisseurs
diffrentes dans la section du
profil.
Figure-22- Schma du procd de pultrusion Figure-23- Diffrents
sections de PRF pultrudes
-
Chapitre 2 LES MATRIAUX COMPOSITES
20
2.3.3.4. Collage de plaques composites :
Cette mthode se caractrise par le placage de plaques de
composite, colles sur la surface par
des colles poxy.
Figure-24- Renforcement de poutres vis--vis de leffort
tranchant
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
21
CHAPITRE 3: COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM
LEFFORT TRANCHANT
3.1. Introduction :
Le comportement dune poutre en bton arm leffort tranchant est
complexe, car, il dpend
de plusieurs paramtres :
Proprits du bton : un matriau htrogne et sa rsistance en
traction est plus faible
que sa rsistance en compression aussi la taille des agrgats
(effet dengrnement);
Le taux d'armature transversale et longitudinale ;
Le type de chargement : les efforts de cisaillement, de flexion,
de torsion qui agissent
simultanment ;
La gomtrie des poutres.
Le phnomne de leffort tranchant est plus complexe et une rupture
par cisaillement est plus
dangereuse (fragile) que celle due la flexion (ductile), car
elle se produit de faon brusque et
sans avertissement pralable.
3.2. Fissuration :
Les fissures apparaissent dans une poutre en BA l'endroit o la
contrainte de cisaillement
atteint la rsistance du bton en traction.
Dans une poutre soumise l'effort tranchant, on voit apparatre
deux types de fissures :
Des fissures verticales, notamment mi-porte, sont dues l'action
du moment
flchissant ;
Des fissures diagonales (obliques) au niveau des appuis sont
dues l'effet combin du
moment flchissant et de l'effort tranchant.
Figure-25- Types de fissures dans une poutre en bton arm
[20]
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
22
3.3. Modes de rupture :
La rupture d'une poutre en bton arm est atteinte lorsque les
charges qui la sollicitent
excdent sa rsistance. Elle dpend de plusieurs paramtres :
3.3.1. Le type de poutre :
Cest le facteur prdominant qui est caractris par le rapport a/d,
do :
a : reprsente la distance entre l'appui et le point
d'application de la charge, aussi
appele longueur ou porte de cisaillement ;
d : la hauteur effective de la poutre.
Figure-26- Porte de cisaillement
La porte en cisaillement (a) est clairement dfinie pour un essai
de flexion en trois ou quatre
points, comme l'illustre la figure 26, mais elle n'a aucun sens
physique pour les autres cas de
chargements. [21]
- Le Tableau 8 prsente une tude comparative des diffrents modes
de ruptures en
fonction des types de poutres :
Tableau 8 : Comparaison entre les diffrents modes de ruptures en
fonction des types de poutres
Type de poutre Caractristique Mode de rupture Description
les poutres trs
profondes
a/d 1 Rupture due
lAdhrence par Cisaillement
- Lcrasement du bton ; - Rupture dancrage des armatures
tendues.
Figure-27- Une poutre en BA endommage par la perte de ladhrence
due au cisaillement [22]
les poutres profondes
1< a/d 2.5
Rupture due la
Contrainte
principale oblique
- Une perte dadhrence ; - l'crasement du bton
comprim ;
- le glissement des
armatures longitudinales
tendues.
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
23
Figure-28- Une poutre en BA endommage par la contrainte
principale oblique
les poutres lances
2.5< a/d 6
Rupture due la
Compression par
Cisaillement
- Dveloppement rapide
des fissures inclines ;
- Lcrasement du bton et la plastification des
d'armature longitudinale.
Figure-29- Une poutre en BA endommage par la compression due au
cisaillement
les poutres trs lances
a/d > 6
Rupture en
flexion
- Lapparition des fissures dans la zone
centrale.
Figure-30- Une poutre en BA endommage par endommage par
flexion
3.3.2. Les dimensions des poutres (effet dchelle) :
Plusieurs travaux de recherche ont dmontr que plus le rapport
l/h augmente plus la rsistance
de la poutre en bton arm diminue, do :
l : la longueur de la poutre ;
h : la largeur de la poutre.
Ceci est d une plus grande ouverture des fissures diagonales
dans les poutres de plus
grandes dimensions. La transmission des contraintes de
cisaillement est ainsi affecte, ce qui
rend plus faible la capacit rsistante de la poutre. [23]
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
24
Figure-31- Influence de la taille de la poutre sur la rsistance
en cisaillement
3.3.3. Le taux d'armature longitudinale (l'effet goujon) :
L'armature longitudinale contribue limiter l'ouverture des
fissures, ce qui assure une
meilleure transmission des contraintes de cisaillement. Si le
taux est relativement faible les
fissures diagonales apparaissent plutt, de mme, si le
renforcement longitudinal nest pas
correctement dimensionn, la rupture en flexion survient aprs
celle en cisaillement.
Figure-32- volution de la rsistance ultime en cisaillement en
fonction du taux d'armature longitudinale
pour diffrents types d'acier [24]
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
25
3.3.4. Le taux darmature transversale :
Les armatures transversale retardent lapparition des fissures
inclines et amliorent nettement
la rsistance leffort tranchant.
Aussi lespacement entre les diffrents triers augmente la capacit
portante de la zone de
cisaillement de la poutre.
3.3.5. Leffort axial :
La rsistance en cisaillement d'une poutre diminue si leffort
axial est de traction, par contre
elle augmente si ctait un effort axial de compression.
Un effort normal de compression joue en quelque sorte un rle de
confinement, tandis qu'un
effort normal de traction a pour effet de fragiliser la cohsion
du bton. [25]
Figure-33- Influence de l'effort axial sur la rsistance en
cisaillement du bton
3.4. Modles de calcul leffort tranchant des poutres en bton
arm:
Il existe pas mal de modles qui ont t proposs pour le calcul de
la rsistance en
cisaillement des poutres en bton arm, mais ici nous allons
sintresser sur les modles dont
les poutres contient de l'armature transversale, aussi auxquels
les codes de bton arm se
rfrent le plus souvent.
3.4.1. Modle du treillis 45 (Truss model) :
La plupart des codes de bton arm se basaient exclusivement sur
l'analogie du treillis 45
propos il y a plus d'un sicle, par l'ingnieur suisse Ritter en
1899 et l'ingnieur allemand
Morsch en 1909 pour le calcul des triers dans les poutres en
bton arm.
Elle consiste assimiler un treillis une poutre en bton arm,
fissure, soumise 1' effort
tranchant.
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
26
Figure-34- Analogie de treillis
L'avantage dans ce modle cest que le systme est statique :
Lutilisation des conditions dquilibre suffit pour calculer les
efforts dans les
membrures du treillis.
Le modle permet aussi de prendre en compte leffort axial induit
par leffort
tranchant sur les armatures longitudinales.
Cependant, cette approche prsente deux inconvnients :
La ngligence de la contribution du bton la reprise de l'effort
tranchant.
Linclinaison des fissures qui est prise gale 45 alors quen ralit
les angles sont
gnralement variables.
A laide de La figure 35, le calcul de leffort tranchant est
estim dans la poutre comme suit :
Figure-35- Equations dquilibre du modle du treillis 45
3.4.2. Modle du treillis angle variable :
Ce modle de treillis angle variable a t introduit afin dapporter
plus de prcision pour le calcul des contraintes de
cisaillement.
Il apporte une visualisation trs claire du comportement rel de
la poutre 1'tat fissur. Mais,
le calcul pratique ne peut pas tre utilis, du fait de
lhyperstaticit du systme.
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
27
Figure-36- Reprsentation en ventail et en champ de
compression
des diagonales dans le modle du treillis
Collins et Mitchell (1991) se rapporte au treillis simplifi de
Marti (1986), o chaque
membrure verticale reprsente le groupe d'triers sur une longueur
jd/tan. La force dans chaque lment vertical est gale la somme des
forces dans les triers dlimits par cette
mme distance. [26]
Figure-37- Simplification par Marti du modle du treillis angle
variable
La rsolution des quations d'quilibre permet de dterminer la
quantit d'armature
transversale Av, l'intrieur d'un espacement s :
Figure-38- quilibre des forces dans le modle du treillis angle
variable
(3.1)
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
28
Il y a plusieurs propositions pour la dtermination de langle
:
- MacGregor et Bartlett (2000) suggrent un angle compris entre
25 et 65 ;
- Le comit europen du bton recommande un intervalle = 31 59.
Le modle du treillis angle variable est plus prcis et aussi plus
conomique, mais il
nglige la contribution de bton la rsistance en cisaillement.
3.4.3. Thorie du champ de compression (Compression Field Theory)
:
Pour le calcul de l'angle et la contrainte principale de
compression dans le bton f2, Collins et Michell en 1980 ont proposs
une mthode nomme Compression Field Theory se base au
modle du treillis angle variable.
Elle utilise les quations dquilibre du modle du treillis et y
ajoute les lois de comportement non linaire du bton, en tenant
compte des hypothses suivantes :
- La distribution des contraintes de cisaillement entre deux
fissures est uniforme le long de la profondeur de la poutre ;
- Le comportement des armatures est suppos parfaitement lastique
;
- la direction des dformations et des contraintes principales de
compression concide avec la direction des bielles de
compression.
Figure-39- Les dformations dans un lment fissur en bton arm
Langle est donn comme suit :
(3.2)
Daprs Vecchio et Collins (1986), Laugmentation de la dformation
principale de traction
rduit la rsistance en compression spcifie du bton .
(3.3)
(3.4)
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
29
Figure-40- Relation contrainte-dformation dans un lment
fissur
La principale diffrence avec le modle du treillis de Ritter et
Mrsch est que la poutre
fissure est considre comme continue et la force de compression
est prise comme fonction
de la force de tension transversale dans la poutre. [27]
Cette mthode nglige les contraintes de traction du bton entre
les fissures.
3.4.4. Thorie modifie du champ de compression (Modified
Compression Field
Theory):
Pour dvelopper de la thorie du champ de compression Vecchio et
Collins (1986) ont pris en
compte la contrainte de traction transmise par les triers aux
bielles de bton entre deux
fissures, travers l'adhrence bton-acier.
Figure-41- Distribution des contraintes de tension dans les
bielles comprimes
Les conditions d'quilibre, de compatibilit et les lois de
comportement du bton l'tat
fissur donnent les relations suivantes :
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
30
Figure-42- quilibre des forces dans la thorie modifie du champ
de compression
(3.5)
(3.6)
(3.7)
Tel que :
(3.8)
Le premier terme, qui correspond la contribution du bton, peut
tre rcrit comme suit :
(3.9)
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
31
3.5. Calcul leffort tranchant des poutres en bton arm selon les
normes et codes :
Les normes de conception des ouvrages en bton arm existent pour
protger et assurer la
scurit publique. Elles sont en effet relativement conservatrices
et sattardent utiliser diverses quations empiriques et
probabilistes pour traduire des concepts parfois encore mal
compris ou des dmarches relativement plus labores ou
rigoureuses.
Cette faon de faire est fort valide afin de demeurer du ct
scuritaire de la structure et de
respecter les tats limites ultimes, ce qui permet dassurer la
rsistance et la stabilit de louvrage. Les normes sont rgulirement
rvises et mises jour afin de considrer lvolution des connaissances
scientifiques. [26]
Dans l'ensemble des normes et codes, l'effort tranchant total
est la somme de la contribution
du bton et de l'armature transversale :
3.5.1. Le code BAEL91 : [28]
Le BAEL91 est bas sur le model du treillis 45, dont il faut
vrifier :
Tel que :
Pour la contribution du bton :
Pour la contribution de l'armature transversale :
Avec :
=1 dans le cas de la flexion simple.
Pour , la contribution de l'armature transversale dans le BAEL91
conduisent la mme valeur de celle dans lEC2.
3.5.2. Le rglement EC2 : [29] L'Eurocode2 propose deux mthodes
de vrification l'effort tranchant: la mthode dite
standard et la mthode dite du treillis angle variable.
Pour la premire mthode, l'expression de la contribution du bton
reprendre l'effort tranchant est dtermine partir d'une quation
empirique, elle tient compte de l'effet
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
32
d'chelle, de l'effet goujon et de l'effort normal et linfluences
de la rsistance du bton :
Tel que :
Figure-43- Dfinition de et pour dterminer [EC2]
L'expression de la contribution de l'acier d'armature
transversale reprendre l'effort tranchant est fournit par le modle
d'analogie du treillis angle variable, elle s'exprime
comme suit :
lEC2 recommande une limite de la : .
3.5.3. La norme Amricaine ACI 318-99 : [30]
La norme Amricaine ACI-318 est base sur le model du treillis 45
pour le calcul des
armatures transversale, plus une contribution empirique du bton
:
La contribution du bton la reprise de l'effort tranchant est
donne par l'expression suivante :
Pour des pices soumises uniquement la flexion et au cisaillement
:
Pour un calcul plus prcis, et qui tient compte de l'influence de
certains paramtres la norme propose l'utilisation de l'quation
suivante :
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
33
La valeur de doit vrifier la condition suivante :
La contribution de l'armature transversale la reprise de
l'effort tranchant est donne
par l'expression suivante :
Pour une disposition des aciers transversaux incline pour
nimporte quel angle par rapport aux aciers longitudinaux, on
utilise :
Pour une disposition droite des armatures transversales ( ,
lexpression
prend la forme :
La valeur de doit vrifier la condition suivante :
Pour la contribution de l'armature transversale dans lACI 318,
il ne manque quun coefficient 0,9 qui conduit la mme valeur de
celle dans les deux autres codes prcdents.
3.5.4. La norme Canadienne CSA-A23.3-94: [31]
Cette norme fonde ses calculs sur la mthode du treillis, Elle
est conue pour les btiments :
La contribution du bton la reprise de l'effort tranchant est
donne par l'expression suivante :
Tel que :
La contribution de l'armature transversale reprendre l'effort
tranchant est base sur le modle du treillis angle variable. Elle
est donne par l'expression suivante :
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
34
La limite maximale pour est:
3.5.5. La norme Canadienne CSA-S6-88: [32]
Cette norme est conue pour les ponts. Les contributions du bton
et des aciers leffort tranchant sont bases sur la thorie du champ
de compression modifi et sexpriment ainsi :
La contribution du bton la reprise de l'effort tranchant est
donne par l'expression suivante :
La contribution de l'armature transversale la reprise de
l'effort tranchant est donne par l'expression suivante :
Pour une disposition des aciers transversaux incline pour
nimporte quel angle par rapport aux aciers longitudinaux, on
utilise :
Pour une disposition droite des armatures transversales ( ,
lexpression
prend la forme :
Le calcul des coefficients et : Dabord, dans des cas
exceptionnels tels quune poutre dpaisseur maximale de 250 mm,
on
choisit des valeurs fixes de 0.21 pour et de 42 pour .
Sinon, ils sont calculs suivant les deux mthodes suivantes :
Mthode simplifie :
Pour une limite lastique des armatures longitudinales. et .
La valeur de est gale 35, et la valeur de est dtermine en
distinguant les trois cas suivants:
a. Pour une section dont l'aire des armatures transversales est
suprieure ou gale la
section minimum ncessaire, la valeur de est gale 0.18.
La section minimum de larmature transversale est donne par la
formule suivante :
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
35
b. Pour une section sans armatures transversales et la dimension
du plus gros granulat
utilis dans la composition du bton est suprieure 20 mm, est
calcule comme suit:
c. Pour une section sans armatures transversales avec la
dimension des gros granulats
non spcifie, est calcule comme suit:
Tel que :
Cette mthode simplifie ne doit pas tre utilise pour les lments
soumis une traction importante et larmature longitudinale de tels
lments doit tre correctement dimensionne.
Mthode gnralise :
Le coefficient est dtermin par 1' quation suivante:
Pour une section dont 1' aire des armatures transversales est
suprieure ou gale , est gale 300mm.
Dans les autres cas, est calcul selon lquation (2.11). Dans le
cas o on doit prendre .
Le coefficient est calcul comme suit:
Dans les deux quations (3.38 et 3.39), la dformation
longitudinale doit tre calcule selon la relation suivante :
Sous rserve de quelques conditions :
a. et doivent tre positifs et ;
b. Il faut tenir compte de la perte de longueur dancrage au
niveau des barres transversales ;
c. Si le calcul de donne une valeur ngative alors, on considre
dans les autres quations ;
d. Si les efforts de flexion entranent lapparition de fissure
sur llment, il est dusage
de doubler le rsultat obtenu de ;
e. .
-
Chapitre 3 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM LEFFORT
TRANCHANT
36
3.5.6. La norme Franaise AFGC-03: [11]
Dans les recommandations de lAssociation Franaise de Gnie Civil
(AFGC, 2003), Le principe du calcul se rfre au modle du treillis de
Ritter-Morsch.
La rsistance leffort tranchant du bton et des aciers sexpriment
ainsi :
La contribution du bton la reprise de l'effort tranchant est
donne par l'expression suivante :
La contribution de l'armature transversale reprendre l'effort
tranchant est donne par l'expression suivante :
Avec :
; En cas de reprise de btonnage.
3.5.7. La norme Italienne CNR-DT200-04: [33]
Cette norme est bas sur le model du treillis angle variable
:
La contribution du bton la reprise de l'effort tranchant est
donne par l'expression suivante :
La contribution de l'armature transversale reprendre l'effort
tranchant est donne par l'expression suivante :
Avec :
: Facteur qui prend en compte les effets des forces normales : :
Si, avec un effort normal de traction, l'axe neutre coupe la
section ; : Si, avec un effort normal de traction, l'axe neutre est
l'extrieur de la section.
3.5.8. La norme Europenne FIB-TG 9.3. 2001: [15]
La fdration internationale du bton fonde ses calculs partir de
l'Eurocode2.
La contribution du bton la reprise de l'effort tranchant est
donne par l'expression suivante :
La contribution de l'armature transversale reprendre l'effort
tranchant est donne par l'expression suivante :
-
Chapitre 4 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BA RENFORCE PAR
MATERIAUX COMPOSITES LEFFORT TRANCHANT
37
CHAPITRE 4: COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BTON ARM
RENFORCE AU MOYEN DE MATERIAUX
COMPOSITES LEFFORT TRANCHANT
4.1. Introduction :
Pour viter la rupture fragile (cisaillement) due leffort
tranchant, les poutres en bton arm devraient tre renforces.
Toutes les tudes confirment que la technique de renforcement par
matriaux composites en
PRF coll l'extrieur (au surface) (EBR : Externally Bonded
Reinforcement) semble tre une
excellente option do : laugmentation de la capacit, la rigidit
et la rsistance des poutres pour reprendre les
sollicitations qui leurs sont appliques.
La diminution de flche des poutres et la corrosion des armatures
do la durabilit
des structures.
Cette technique de renforcement externe utilise des renforts
sous la forme de lamelles
(plaques) pr-imprgnes ou de tissus.
Figure-44- Tissus en matriaux composites
En plus de sa facilit d'application et de sa rapidit dexcution,
la rsistance au cisaillement
de la poutre vierge peut tre augmente de 60 120% en utilisant
des composites PRF.
Figure-45- Comparaison de comportement entre les poutres
renforces et celles non renforces
-
Chapitre 4 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BA RENFORCE PAR
MATERIAUX COMPOSITES LEFFORT TRANCHANT
38
Pour mieux comprendre le comportement leffort tranchant des
poutres en bton renforces avec des matriaux composites, il est
important de dfinir en premier lieu lusure et le comportement de
chacun des matriaux qui compose les poutres: le bton, les aciers et
le
matriau composite. Chacun prsente des caractristiques
diffrentes, tant physiques que
mcaniques :
a. Bton : Le bton a un comportement diffrent en traction et en
compression, tel que sous un
chargement cyclique la propagation des microfissures et
lapparition des macro-fissures qui deviennent de plus en plus
espaces; causent une rupture brutale du bton.
b. Acier : Comme le comportement des armatures est
lasto-plastique, lusure dans les barres d'armatures est observe par
l'apparition de microfissures qui sont provoques par une srie
de
contraintes distribues sur la surface des barres. Lorsque les
fissures atteignent une longueur
critique ou la propagation devient instable, la rupture de
lacier sensuit.
c. Matriau composite : Le matriau composite est un matriau
lastique qui prsente des dgradations dues
l'endommagement progressif des fibres, de la colle ou les deux
en mme temps dont le
comportement diffre de celui du bton et de celui des aciers.
Ladhsion des composites PRF sur des surfaces de structures en
bton arm provoque donc une modification des comportements
structuraux comparativement ceux des
structures en bton arm non renforces: par exemple, la relation
entre la force et la
flche ou le mode de rupture.
Figure-46- Comparaison de comportement entre diffrents
matriaux
4.2. Diffrentes configurations de renforcement leffort tranchant
:
Le renforcement de poutres leffort tranchant par collage
extrieur de matriaux composites est simple dexcution en comparaison
avec les mthodes traditionnelles, il se fait sur les faces
latrales, dans les zones de poutres sous dimensionnes en armatures
transversales.
-
Chapitre 4 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BA RENFORCE PAR
MATERIAUX COMPOSITES LEFFORT TRANCHANT
39
Les diffrentes configurations courantes dans le monde de
renforcement par composite
employes dans la littrature sont les suivantes :
4.2.1. Configuration latrale :
Sur la face latrale limplantation du renfort peut se faire comme
suit :
a. Renfort continu (seule pice):
Perpendiculaire laxe longitudinal de la poutre :
Figure-47- Renfort continu vertical
Inclin selon un angle prise gnralement gale 45 :
Figure-48- Renfort continu inclin
Les renforts continus peuvent tre en composite
multidirectionnel.
b. Renfort par bandes (plusieurs pices):
Perpendiculaire laxe longitudinal de la poutre :
Figure-49- Renfort par bandes vertical
Inclin selon un angle prise gnralement gale 45 :
Figure-50- Renfort par bandes inclin
Les renforts par bandes tant constitus de composites
unidirectionnels.
-
Chapitre 4 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BA RENFORCE PAR
MATERIAUX COMPOSITES LEFFORT TRANCHANT
40
4.2.2. Configuration transversale :
Chacune des 4 configurations latrales prcdemment dcrites peut
ensuite tre applique
selon les 4 configurations transversales suivantes :
a. Le renforcement en face latrale :
Il est prsent par le collage de deux tissus/bandes de PRF spars
sur des faces opposes de
la poutre, cette configuration semble tre le plus conome en
matriaux, elle permet
doptimiser lutilisation du renforcement laide de FRP.
Cependant, il est souvent difficile dobtenir une longueur de
scellement suffisante du composite (particulirement dans le cas de
poutre en T ), ce qui rduit sa contribution
leffort tranchant ( ), et conduit une augmentation de la section
de renfort ncessaire.
Figure-51- Renforcement en face latrale
b. Le renforcement en U :
Il est prsent par lenroulement de la poutre avec des
tissus/bandes de PRF autour de trois cts. Cette configuration est
utilise beaucoup plus pour les poutres en T . Elle est
gnralement la plus sensible car elle contribue galement au
renfort la flexion et conduit
ainsi une augmentation de la contribution leffort tranchant (
).
Dans la littrature, il existe deux types de configurations en U
: celle sans ancrage et
lautre avec ancrage (pour viter la rupture produite par
dlamination du renfort composite), par exemple : des bandes
horizontales supplmentaires ou des systmes d'ancrage mcaniques
tels que des plaques dacier ou de composites PRF, et les boulons
d'ancrage.
Figure-52- Renforcement en U
(a- sans ancrage ; b- avec ancrage)
-
Chapitre 4 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BA RENFORCE PAR
MATERIAUX COMPOSITES LEFFORT TRANCHANT
41
c. Le renforcement par confinement :
Dans le cas des poutres ordinaires, une enveloppe complte
suffira. Cette configuration est
connue pour tre le moyen le plus efficace dans le renforcement
leffort tranchant avec des
composites PRF.
Figure-53- Renforcement par confinement
Cette multiplication du nombre de paramtres engendre
l'apparition de modes de rupture additionnels.
4.3. Modes de rupture :
La littrature fait tat de plusieurs modes de rupture observs
dans les essais qui ont t
effectus sur les poutres renforces en cisaillement l'aide des
matriaux composites. Ces
nouveaux modes de ruptures viennent sajouter ceux dj connus.
Parmi ces modes en trouve:
4.3.1. Le dcollement du renfort composite :
Dans ce mode de rupture qui est toujours li la dlamination du
renfort, on ne voit pas les
traces du bton sur le renfort dcoll.
Ce mode est la principale cause de la ruine dlment renforc par
le collage de plaque en composite.
Figure-54- Schma dune poutre dont la rupture sest produit par
dcollement du renfort composite
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Chapitre 4 COMPORTEMENT D'UNE POUTRE EN BA RENFORCE PAR
MATERIAUX COMPOSITES LEFFORT TRANCHANT
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Une longueur adquat