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POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES acceptée sur proposition du ju

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES acceptée sur proposition du jury: Prof. J.-F. Molinari, président du jury Prof. A. Muttoni, directeur de thèse Prof. K. Beyer, rapporteur Dr H. R. Ganz, rapporteur Prof. A. M. Pinho Ramos, rapporteur Influence de la précontrainte sur la résistance au poinçonnement de dalles en béton armé THÈSE NO 5516 (2012) ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE PRÉSENTÉE le 2 novembre 2012 À LA FACULTÉ DE L'ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT LABORATOIRE DE CONSTRUCTION EN BÉTON PROGRAMME DOCTORAL EN STRUCTURES Suisse 2012 PAR Thibault Clément Tout est une question d’état d’esprit. Préface L’inﬂuence de la précontrainte sur la résistance au poinçonnement des dalles en béton armé a jusqu’à présent été traitée de façon essentiellement empirique ou en adaptant les règles dérivées pour les dalles non précontraintes. En outre, les diﬀérents eﬀets de la précontrainte (eﬀort normal de compression, moment dû à l’excentricité des câbles, eﬀort tranchant dû à l’inclinaison des câbles et augmentation de la rigidité à la ﬂexion) n’ont été généralement considérés que partiellement. Dans ce contexte, la contribution de M. Clément est importante car pour la première fois, grâce à une campagne expérimentale vaste et innovante, des essais systématiques ont été réalisés en étudiant de façon séparée les diﬀérents eﬀets évoqués. M. Clément a ensuite développé un modèle physique complet. Ceci représente une amé- lioration importante des modèles précédents en améliorant la compréhension du phéno- mène de poinçonnement. Il décrit mieux la réalité, la précision a été améliorée et des nouveaux paramètres peuvent être considérés. La théorie de la ﬁssure critique (base pour la norme Suisse SIA 262 et la norme inter- nationale ﬁb Model Code 2010 pour ce qui concerne le poinçonnement) a elle aussi pu être complétée et améliorée grâce l’élaboration des lois charge-rotation adaptées et en tenant compte de l’eﬀort normal et du moment sur la base d’une analyse physique du phénomène de poinçonnement. De ce point de vue, cette recherche, ﬁnancée par l’Oﬃce Fédéral des Routes auquel vont mes remerciements, n’est pas seulement remarquable pour l’avancement important de l’état de connaissances, mais contribuera aussi à faciliter le dimensionnement et la vériﬁcation des dalles précontraintes dans la pratique. Lausanne, septembre 2012 Prof. Dr Aurelio Muttoni i Remerciements Le travail présenté ici n’aurait pu être ce qu’il est sans l’aide, le soutien, la collaboration, l’échange, le partage, la complicité, la connivence de quelques uns. Je veux donc remercier ici celles et ceux qui ont su véhiculer ces valeurs et me porter vers ce résultat. Merci au professeur Aurelio Muttoni. Merci pour m’avoir fait briller les yeux pendant ces cours distillés avec ces accents théatraux. Merci d’avoir fait naître en moi cet en- gouement et cet enthousiasme en me proposant de m’impliquer dans ce travail. Merci de la liberté accordée, de la conﬁance, des conseils, remarques et discussions toujours riches et extrêmement précieux. Merci à mon jury de thèse, Jean-François Molinari, Katrin Beyer, Antonio Ramos, Hans- Rudolf Ganz. Merci pour avoir accepter ce rôle d’examinateur. Merci de vos questions et remarques très pertinentes. Merci de vos compliments qui m’ont touchés. Merci à l’Oﬃce Fédéral des Routes. Merci pour avoir rendu écomomiquement viable ce travail et aux membres de la commission de recherche dans le domaine des ponts pour avoir permis de faire aussi coïncider la recherche avec les réalités pratiques de notre métier d’ingénieur civil. Merci aux fées du laboratoire. Merci de votre aide, de votre implication et de votre dis- ponibilité toujours sans faille pour avoir rendu possible la réalisation de mes campagnes expérimentales qui s’annonçaient initialement diﬃciles. Merci aux étudiants. Merci de vos questions, de m’avoir permis de m’interroger et m’es- crimer. Un merci particulier à Marie-Rose Backes, Marina Fraccaro, Richard Thürler, Fabio Brantschen pour votre intérêt qui l’espace de votre projet a été le mien aussi. Merci à mes collègues qui ont jalonné le couloir de l’IBETON. Merci de votre excellence, d’avoir été ces modèles et de m’avoir fait partager vos savoirs et vos passions. Merci à vous pour cette ambiance de travail exeptionnelle, ces moments de partage, de soutien, de discussions souvent bien au delà de nos domaines respectifs. Merci d’avoir démontré que les relations professionnelles peuvent se transformer en véritables relations d’amitié. Merci à mes amis. Merci à tous pour ces moments grandioses passés avec vous, merci de votre état d’esprit viviﬁant. Vous êtes à la hauteur de ces moments, géniaux. Un particulier et énorme merci à une Pauline exceptionnelle ! Merci à ma famille. Papa, Maman, Pepi, Nanane, frangin, frangine, le plus grand des merci ! iii Résumé Dans le domaine des bâtiments, les planchers-dalles constituent une solution constructive très répandue en Suisse notamment mais aussi dans la plupart des pays d’Europe et d’Amérique du Nord. Il en va de même des ponts-dalles très souvent employés pour franchir une autoroute par exemple. Dans ces deux applications, ce système de dalle portée ponctuellement par des colonnes se justiﬁe notamment par sa simplicité et sa rapidité de construction. Or dès que les portées commencent à devenir importantes, au delà de 8 à 10 m environ, le recours à la précontrainte s’impose. Les forces découlant de la précontrainte induisent généralement dans le béton des eﬀorts normaux de compression, des moments dans le sens opposé à celui des charges et des forces verticales dans le cas où les câbles de précontrainte présentent un tracé parabolique ou polygonal. Il en résulte donc une zone au niveau de la colonne sujette au poinçonnement inﬂuencée par les diﬀérents eﬀets de la précontrainte. L’objet de ce travail de recherche a été de quantiﬁer de manière individuelle l’inﬂuence de chacun des eﬀets de la précontrainte sur la résistance au poinçonnement. Pour cela diﬀérentes campagnes expérimentales ont été menées. La première a été réa- lisée dans le but de comprendre l’inﬂuence seule d’un moment agissant dans le sens opposé à celui provoqué par les charges agissant de haut en bas sur la résistance au poinçonnement. La deuxième a été menée en vue de cerner l’inﬂuence seule d’un ef- fort normal de compression sur cette résistance au poinçonnement. La troisième a été conduite en garnissant les spécimens de câbles de précontrainte aﬁn de solliciter ces premiers simultanément par un eﬀort normal et un moment de ﬂexion et donc de com- prendre l’inﬂuence simultanée de ces deux eﬀets sur la résistance au poinçonnement. Il a été montré que chacun de ces eﬀets a une inﬂuence signiﬁcative sur la résistance au poinçonnement d’abord mais aussi sur la déformation à la rupture des spécimens. Tandis que le moment tend à augmenter la résistance au poinçonnement et à diminuer les capacités de déformations, l’eﬀort normal lui fait aussi augmenter la résistance, mais son inﬂuence sur les déformations à la rupture est plus limitée. Ces aspects ne sont pas toujours pris en considération dans les normes mondiales. En eﬀet alors que la norme américaine ACI 318 (2011) ou la norme européenne EC2 (2004) ne prennent pas en compte l’inﬂuence de tous les eﬀets de la précontrainte en laissant généralement de côté celui du moment, a été proposée une formulation pour la norme suisse SIA 262 (2012) et le Model Code (2010) qui permet de considérer de façon consis- tante tous les eﬀets de la précontrainte. Les séries d’essais ont permis notamment de valider ces nouvelles formulations. En outre, le critère de rupture au poinçonnement issu de la théorie de la ﬁssure critique, v RÉSUMÉ formulé initialement par Muttoni, a été amélioré sur la base d’un modèle physique com- plet tenant compte des eﬀets de la précontrainte et de la cinématique réelle de la dalle qui a pu être mise en évidence par une série d’essais complémentaire également réalisée dans le cadre de cette recherche. De plus, une loi charge-rotation analytique, décrivant le comportement de la dalle, a été développée sur la base des travaux déjà accomplis par Muttoni aﬁn de considérer là aussi l’inﬂuence de la précontrainte. Enﬁn, aﬁn de simpliﬁer le calcul de la résistance au poinçonnement qui nécessite le déve- loppement du modèle physique complet, un critère de rupture simpliﬁé, mais intégrant toutefois les eﬀets de la précontrainte, a été proposé. Mots-clefs : poinçonnement, précontrainte, béton armé, béton précontraint, planchers-dalles, ponts- dalles, loi charge-rotation, normes, théorie de la ﬁssure critique, critère de rupture. vi Zusammenfassung Flachdeckensysteme werden in Hochbauten vielfach verwendet, insbesondere in der Schweiz, als auch in Nordamerika oder den meisten europäischen Ländern. Dasselbe System ei- ner punktgestützten Platte ﬁndet auch Anwendung im Brückenbau, beispielsweise beim Überspannen einer Autobahn. Sowohl Flachdecken, als auch Plattenbrücken zeichnen sich durch eine einfache, kostengünstige und schnelle Realisierung aus. Bei grösserer Feldspannweite, etwa ab 8 - 10 m drängt sich die Verwendung einer Vorspannung auf. Dadurch werden auf die Platte eine Drucknormalkraft, ein der Belastung entgegenge- setztes Biegemoment und eine Schubkraft aufgebracht. Für die Schubkraft gilt die Be- dingung, dass das Vorspannkabel parabolisch oder polygonal, in die Platte eingelegt wird. Der Durchstanzbereich rund um die Stütze wird durch die drei Auswirkungen der Vorspannung stark beeinﬂusst. Das Ziel dieser Forschungsarbeit besteht darin, die ver- schiedenen Auswirkungen der Vorspannungen auf den Durchstanzwiderstand einzeln zu quantiﬁzieren. uploads/Ingenierie_Lourd/ influence-de-la-precontrainte-sur-la-resistance-au-poinconnement-de-dalles-en-beton-arme-pdf.pdf