Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Thèse en cotutelle de DOCTORAT Spécialité Mécanique et Génie Civil Présentée pa

Thèse en cotutelle de DOCTORAT Spécialité Mécanique et Génie Civil Présentée par Todor ZHELYAZOV RENFORCEMENT DES STRUCTURES EN BETON ARME PAR COLLAGE DE MATERIAUX COMPOSITES -COMPORTEMENT MECANIQUE DES STRUCTURES SOLLICITEES A LA FLEXION- Soutenue publiquement à l’Université de Reims Champagne Ardenne Le 13 décembre 2008 Devant le jury : M. Yves DELMAS Professeur à l’Université de Reims Président M. François BUYLE-BODIN Professeur à l’Université de Lille 1 Rapporteur M. Kliment HADJOV Professeur à l’U.T.C.M.., Bulgarie Rapporteur M. Mihael KISHKILOV Professeur à l’U.A.G.C.G., Bulgarie Examinateur M. Alexandre ALEXANDROV Professeur à l’U.T.C.M., Bulgarie Examinateur M. Dimitri DONTCHEV Professeur à U.T.C.M., Bulgarie Co-directeur M. Alex LI Professeur à l’Université de Reims Co-directeur M. Jules ASSIH Maître de conférences à l’Université de Reims Co-encadrant Université de Reims Champagne Ardenne École doctorale Sciences Technologies Santé 1 2 3 Remerciements Au terme de ce travail je tiens à remercier mes codirecteurs : Monsieur Dimitar Dontchev, Professeur de l’UCTM de Bulgarie et Monsieur Alex Li, Professeur de l’Université de Reims et mon encadrant Monsieur Jules Tchao Assih, Maître de Conférences à l’Université de Reims. Je tiens à remercier Monsieur Yves Delmas, Professeur de l’Université de Reims et directeur de l’IUT de Reims pour sa confiance et pour le soutien. Je remercie Monsieur Karl Debray, Professeur à l’Université de Reims. Je remercie Monsieur François Buyle-Bodin Professeur à l’université des Sciences et Technologies de Lille1 et Monsieur Kliment Hadjov, Professeur à l’U.C.T.M. de Sofia, Bulgarie d’avoir accepté d’être les rapporteurs de cette thèse. Merci a tous, qui m’ont aidé dans la réalisation de ces travaux de recherche : Alexandre, Patrick, Jie,… 4 5 Sommaire Chapitre I.................................................................................................................................. 17 I.1 Elément en béton armé soumis à la flexion.................................................................. 19 I.1.1 Renforcement à la flexion .................................................................................... 22 I.1.2 Renforcement à l’efFort tranchant ....................................................................... 24 I.1.3 Comportement mécanique d’un élément en béton armé fléchi après l’initiation de la fissuration. ............................................................................................................... 27 I.2 Renforcement des structures par collage des éléments de renforcement extérieurs. Revue des travaux de recherche........................................................................................... 29 I.2.1 Etudes sur le collage structural............................................................................. 29 I.2.2 Renforcement des structures en béton armé par collage de plaques en acier ...... 30 I.2.3 Le matériau composite comme une option alternative......................................... 32 I.2.4 Renforcement des structures en béton armé par collage de FRP ......................... 34 I.3 Modélisation du comportement mécanique d’une structure en béton armé, renforcée par collage de CFRP. Cadre théorique................................................................................. 42 I.3.1 Notions de base de la théorie d’élasticité............................................................. 43 I.3.2 Variable d’endommagement ................................................................................ 46 I.3.3 Lois de comportement des matériaux et des interfaces........................................ 49 I.3.3.1 Modélisation du comportement du béton..................................................... 50 I.3.3.2 Acier. Modélisation du comportement......................................................... 52 I.3.3.3 Matériau composite. Critères de rupture...................................................... 54 I.3.3.4 Interface acier-béton..................................................................................... 56 I.3.3.5 Interface béton- matériau composite. Joint adhésif...................................... 59 CHAPITRE II........................................................................................................................... 65 II.1 Béton. ........................................................................................................................... 67 II.1.1 Essai de compression. ...................................................................................... 67 II.1.2 Essai de traction par flexion............................................................................. 69 6 II.2 Acier............................................................................................................................. 70 II.3 Matériaux composites en Fibres de carbone. ............................................................... 71 II.4 Adhésif ......................................................................................................................... 77 CHAPITRE III ......................................................................................................................... 79 III.1 Modèle expérimental.................................................................................................... 81 III.2 Réalisation des poutres en béton armé ......................................................................... 83 III.2.1 Préparation des armatures ................................................................................ 84 III.2.2 Mise en place des jauges de déformation......................................................... 84 III.2.2.6 Préparation de la surface .......................................................................... 84 III.2.2.7 Protection des jauges contre les actions mécaniques ............................... 86 III.2.3 Coulage des poutres en béton armé.................................................................. 88 III.2.4 Mise en place du renfort extérieur du matériau composite.............................. 90 III.3 Résultats expérimentaux .............................................................................................. 92 III.3.1 Comportement global de la structure ............................................................... 92 III.3.1.8 Charge ultime........................................................................................... 93 III.3.1.9 Déplacement vertical................................................................................ 94 III.3.1.10 Extension transversale du béton dans la zone comprimée....................... 96 III.3.2 Modes de rupture globale observés.................................................................. 99 III.3.3 Comportement local ....................................................................................... 104 III.3.3.11 Déformations dans la barre d’acier ........................................................ 107 III.3.3.12 Déformations dans le matériau composite ............................................. 117 III.3.4 Discontinuité à l’interface béton-matériau composite ................................... 123 III.3.5 Activation des cadres par le mécanisme de l’effort tranchant ....................... 126 CHAPITRE IV ....................................................................................................................... 133 IV.1 Modélisation « classique » ......................................................................................... 136 IV.2 Lois de comportement et critères de rupture.............................................................. 141 7 IV.2.1 Modélisation du comportement du béton....................................................... 141 IV.2.2 Modélisation du comportement de l’acier...................................................... 143 IV.2.3 Modélisation du comportement de la couche adhésive.................................. 145 IV.2.4 Modélisation du comportement du matériau composite ................................ 145 IV.2.5 Modélisation de l’interface acier-béton.......................................................... 145 IV.2.6 Critères de rupture.......................................................................................... 147 IV.3 « Outil » numérique.................................................................................................... 148 IV.3.1 Procédure semi-analytique............................................................................. 149 IV.4 Procédure incrémentale.............................................................................................. 150 IV.5 Modélisation du comportement d’une poutre en béton armé, renforcée par collage de matériaux composites......................................................................................................... 153 IV.5.1 Notes préliminaires ........................................................................................ 153 IV.5.2 Géométrie de la structure ............................................................................... 154 IV.5.3 Éléments finis utilisés..................................................................................... 156 IV.5.4 Résultats de l’implantation de la procédure semi-analytique proposée......... 159 IV.5.4.1 Prédiction de la propagation de la fissuration distribuée et de la fissuration macroscopique............................................................................................................ 159 IV.5.4.2 Comportement global de la structure ..................................................... 162 IV.5.4.3 Comportement local de la structure ....................................................... 162 IV.5.5 Confrontation avec les résultats expérimentaux............................................. 163 IV.6 Remarques concluantes sur la procédure semi-analytique proposée ......................... 169 8 Introduction générale 9 INTRODUCTION GENERALE Introduction générale 10 Introduction générale 11 Introduction générale. Le rôle des matériaux composites dans le domaine du renforcement des structures est incontestable. De nombreux travaux de recherches et des réalisations pratiques ont démontré l’efficacité de la technique de réhabilitation des bâtiments et des ouvrages d’art par le collage d’éléments de renforcement extérieur. Au début des plaques d’acier étaient utilisées comme éléments de renforcement, mais elles ont été remplacées progressivement par les matériaux composites. L’utilisation de plus en plus fréquente des matériaux composites s’explique d’un part par leurs meilleures propriétés mécaniques et d’autre part, par le progrès dans les procédés de leur fabrication durant ces dernières décennies. Devenus plus accessibles sur un plan économique, les matériaux composites sont une solution très attractive pour répondre au besoin de renforcement des bâtiments et des ouvrages d’art. Il existe à présent de nombreuses possibilités d’application de cette technique de renforcement. Dans une structure courante en béton armé il est possible de renforcer presque tous les éléments de construction : colonnes, poutres, dalles. Cette technique permet d’améliorer : • la capacité portante, • la rigidité, • la durée de vie de la structure, • la durabilité de la structure, exposée aux attaques environnementales. Dans ces travaux de recherche, nous nous sommes intéressés à l’étude du comportement mécanique et particulièrement aux différents mécanismes de résistance ainsi qu’aux différents modes de rupture observés dans une poutre en béton armé, renforcée par collage de matériau composite et soumise à la flexion. La structure renforcée constitue un système très complexe en lui-même. Elle contient plusieurs composants : béton, acier, adhésif, matériaux composites. Introduction générale 12 En même temps, les résultats des différents essais effectués dans le cadre de notre campagne expérimentale nous montrent différents modes de rupture des poutres renforcées par collage de matériaux composites. On distingue principalement : - rupture de la poutre renforcée par flexion, - rupture de la poutre renforcée par flexion-cisaillement, - rupture de la poutre renforcée par cisaillement, - rupture de la poutre renforcée par décollement du matériau composite collé dans la zone d’enrobage. Dans notre approche théorique, nous nous sommes posés l’objectif d’éviter la formulation de modèles différents pour chaque mécanisme de résistance. Nous proposons une procédure semi-analytique, dans laquelle nous introduisons des lois de comportement pour les différents matériaux, constituant la structure renforcée. Les lois de comportement sont définies sur une échelle méso-scopique, que permet l’application de la procédure que nous proposons pour des structures possédant d’autres géométries. Pour connaître le comportement de la structure renforcée, il faut connaître le comportement mécanique de ses différents composants, en terme de lois de comportement. Il est en même temps nécessaire de prendre en considération les interactions spécifiques qui résultent de la juxtaposition de ces composants au sein du système. Ainsi, à titre d’exemple la couche adhésive modifie le comportement mécanique de la partie adjacente de la poutre en béton armé. Le matériau composite, la couche adhésive et la partie adjacente de l’enrobage en béton forment le joint adhésif et agissent ensemble dans le transfert des efforts de la structure renforcée à l’élément de renforcement. L’insertion dans le modèle des lois constitutives, qui gèrent le comportement des interfaces, entre les différentes composantes de la structure, doit modéliser des phénomènes tels que l’apparition d’un champ de discontinuités. Des critères de rupture sont formulés pour les différentes composantes de la structure renforcée. Sous l’effet de la charge appliquée, un champ de contraintes et un champ de déformations sont générés dans la poutre renforcée. A la base des composantes des tenseurs des contraintes et des déformations, les critères de rupture locale sont vérifiés. Avec Introduction générale 13 l’évolution de la charge appliquée, les éléments finis, dans lesquels la variable d’endommagement atteint une valeur critique, sont désactivés. L’amorçage et la propagation de la fissuration dans le béton sont ainsi simulés et les modes de rupture globale de la structure sont obtenus comme résultat de la procédure semi- analytique. En outre, parallèlement à cette partie d’étude théorique, une étude expérimentale complémentaire à la première partie, a été menée. Cinq poutres en béton armé, dont quatre renforcées par collage de matériaux composites ont été testées. Pour créer artificiellement la nécessité de mise en place du renforcement extérieur, nous avons uploads/Litterature/ renforcement-des-structures 1 .pdf