Apport d'un renfort de fibres sur les performances des structures en béton armé pour les applications parasismiques

par Rashid Hameed

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Anaclet Turatsinze.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    En Octobre 2005, un tremblement de terre, 7. 4 sur l'échelle de Richter a frappé le nord du Pakistan et a causé 80 000 décès et a sévèrement endommagé des structures. La qualité des matériaux de construction et les lacunes dans l'application des règles parasismiques ont été les deux principales causes de l'ampleur de la catastrophe. Pour une structure, survivre à un événement sismique dépend principalement de sa capacité à dissiper l'énergie qui lui est transmise. Plus l'énergie dissipée est importante, meilleure est la performance de la structure. La pratique courante est d'utiliser le béton armé ordinaire comme matériau de construction. Un des principaux objectifs de cette étude est de répondre à une question subséquente : est-il possible d'améliorer les propriétés du béton armé ordinaire pour les applications parasismiques? Un renfort par des fibres est habituellement utilisé pour améliorer la ténacité et la ductilité des matériaux à base cimentaires, réputés fragiles. La présente étude vise à évaluer la contribution d'un renfort mixte de deux types de fibres métalliques pour améliorer les propriétés mécaniques en particulier la capacité de bétons armés ordinaires à dissiper l'énergie. Un type particulier de fibres (FibraFlex), qualifié de non glissant, capable de contrôler efficacement les micro-fissures et des fibres Dramix à crochets, qualifiées de glissantes, capables de contrôler les macro-fissures ont été étudiées individuellement ou sous forme de renfort mixte. Le dosage maximal en fibres était de 40 kg/m3 lorsqu'un seul type de fibre a été utilisé alors qu'il était de 80 kg/m3 dans le cas d'un fibrage mixte. Les résultats des essais de chargement cyclique alterné en flexion effectués sur les poutres en béton avec renforcement classique au taux de 0. 19% combiné avec un renfort par des fibres métalliques a montré que, pour des déplacements de faible amplitude, les fibres FibraFlex confèrent un gain important dans la capacité de dissipation d'énergie. En revanche, pour des déplacements de grande amplitude, le rôle des fibres Dramix devient prépondérant pour améliorer cette capacité à dissiper de l'énergie. A la suite de l'action de chaque type de fibre à différents niveaux d'amplitude des déplacements, une augmentation significative de la capacité de dissipation de l'énergie de la poutre en béton armé a été enregistrée lorsqu'un fibrage mixte a été utilisé à raison de 80 kg/m3 (40 kg/m3 pour chaque type de fibre). Un modèle numérique 3D pour prédire le comportement du béton renforcé par des fibres glissantes et non-glissantes sous forme monotype ou sous forme mixte est proposé. Considérant le béton renforcé par des fibres (BRF) comme un composite à deux phases, les lois de comportement du béton ordinaire et la contribution des fibres glissantes ont été décrites. Elles ont ensuite été rassemblées en fonction de la théorie anisotrope endommageable pour prédire le comportement mécanique de BRF. La loi de comportement utilisé pour le béton ordinaire est basée sur les théories de l'endommagement et de la plasticité. La loi de comportement de fibres glissantes (Dramix) est basée sur la contrainte effective reprise par les fibres pour contrôler la fissure : elle dépend des caractéristiques de la fibre et d'un paramètre d'endommagement caractérisant la dégradation de l'interface fibre-matrice. Pour traiter les fibres non- glissantes, une approche simplifiée est proposée dans laquelle la loi de comportement du béton ordinaire est utilisé avec une valeur accrue de l'énergie de rupture obtenue par le biais de l'essai de traction directe sur le BRF. Enfin, pour simuler le comportement des composites avec un renfort mixte, les contributions des fibres glissantes et des fibres non-glissantes sont combinées et ceci sans recourir à une équation supplémentaire. Une approche simplifiée pour modéliser l'interface acier-béton dans le cas d'éléments en béton armé a été également proposée. Cette approche considère l'interface acier-béton comme un élément de liaison avec les propriétés isotrope élasto-plastique tandis que la barre en acier est modélisée comme un élément de barre uniaxiale avec un comportement élasto-plastique parfait. Cet outil a été testé en simulant un essai d'arrachement ainsi qu'un essai tirant sur des échantillons de béton armé. Le modèle 3D pour BRF ainsi que l'approche simplifiée pour l'interface acier-béton avec des paramètres ajustés ont ensuite été utilisés pour simuler le comportement en flexion de poutre en béton avec renforcement classique et avec un renfort de fibres métalliques. Les résultats de cette modélisation se sont révélés en bon accord avec les résultats expérimentaux.

  • Titre traduit

    Contribution of metallic fibers on the performance of reinforced concrete structures for the seismic application


  • Résumé

    In October 2005, an earthquake 7. 4 on Richter scale hit the northern area of Pakistan and caused 80 thousand deaths and severe damage to structures. Poor construction material and lack of seismic design considerations were the two major reasons of this severe damage. For structures, surviving a seismic event depends mainly on their capacity for energy dissipation. The greater the energy dissipated, the better the structure performance. In Pakistan, usual practice is to use normal strength reinforced concrete as a construction material. One of the main objectives of this study is to respond to an important question: is it possible to improve the properties of normal strength reinforced concrete for the seismic application? Fiber reinforcement is commonly used to provide toughness and ductility to brittle cementitious matrices. The present study aims to evaluate the contribution of two different types of metallic fibers in hybrid form to improve the mechanical properties, energy dissipation in particular, of normal strength reinforced concrete. A special kind of fiber (FibraFlex) capable of restraining micro-cracking effectively and commonly used carbon steel hooked-ends fibers (Dramix) capable of restraining macro-cracking have been investigated in mono and hybrid forms. The first is qualified as non-sliding fiber while the second is considered as sliding fiber. The maximum content of fiber in mono and hybrid form investigated in this research study was 40 kg/m3 and 80 kg/m3 respectively. The results of reverse cyclic flexural loading tests performed on reinforced fibrous concrete beams having conventional steel ratio (1) equal to 0. 19%, showed that the FibraFlex fibers provide an important gain in energy dissipation at low levels of displacement amplitude. At large displacement amplitude, role of Dramix fibers is more significant to improve energy dissipation. As a result of different action of each fiber at different displacement amplitude levels, a significant increase in energy dissipation capacity of RC beam was registered when both fibers were used in hybrid form at content of 80 kg/m3 (40 kg/m3 of each type of fiber). A 3D numerical model to predict the behaviour of concrete matrix reinforced with sliding and non-sliding fibers both in mono and hybrid forms is proposed. Considering fiber reinforced concrete as two phases composite, constitutive behaviour laws of plain concrete and sliding fibers were described and then they were combined according to anisotropic damage theory to predict the mechanical behaviour of FRC. The behaviour law used for the plain concrete is based on damage and plasticity theories. The behaviour law of the action of sliding fibers (Dramix) in the matrix is based on the effective stress carried by the fibers while bridging the crack which depends on a damage parameter related to on one hand on the content and the mechanical properties of the fiber and on the other hand, on the fiber-matrix bond. To treat non-sliding fiber, a simplified approach is proposed in which constitutive law of plain concrete is used with increased value of fracture energy obtained from the direct tensile test on concrete reinforced with non-sliding fibers. Finally, to simulate the behaviour of hybrid fiber reinforced concrete, approaches to model sliding and non-sliding fibers are combined without any additive equation. A simplified approach to model the steel-concrete interface in case of reinforced concrete elements has been also proposed. This approach considers the steel-concrete interface as bond element with isotropic elasto-plastic properties. Infect, the bond element replace the steel bar area and steel bar is modelled as uniaxial bar element with elastic-plastic perfect behaviour law. Fitting of this approach was done by simulating pull-out and uniaxial tensile loading tests on RC specimens. 3D model for FRC composites and simplified approach for steel-concrete interface with fitted parameters were then used to simulate the flexural behaviour of reinforced fibrous concrete beam. Modelling results showed good agreement with experimental results.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XXXI-349 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 321-337

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010 TOU3 0125
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