Contribution à l'identification et la prise en compte du comportement en traction des BFUP à l'échelle de la structure

par Florent Baby

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de François Toutlemonde.

Le président du jury était Marco Di Prisco.

Le jury était composé de François Toutlemonde, Bernard Fouré, Benjamin Graybeal.

Les rapporteurs étaient Bruno Massicotte, Aurelio Muttoni.


  • Résumé

    Les Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances (BFUP) se caractérisent par une résistance en compression bien supérieure à celle des BTHP couverts par la normalisation, une excellente durabilité et l'emploi d'un assez fort taux de fibres métalliques modifiant le recours habituel aux armatures. Ils sont notamment marqués par une résistance à la traction élevée. Cependant, selon le pourcentage volumique et le(s) type(s) de fibres initialement prévus dans la formulation et l’orientation réelle des fibres dans la structure vis-à-vis des directions principales de traction, leur comportement en traction peut être adoucissant ou écrouissant. Ces deux comportements nécessitent une approche différente pour assurer la sécurité du dimensionnement. Dans un premier temps, des méthodes de caractérisation du comportement en traction des BFUP ont été mises au point de manière à déterminer quel comportement va se mettre en place pour un BFUP et un élément structurel donné, en s’appuyant sur l’essai de flexion quatre points réalisé sur éprouvette non-entaillée. Cet essai nécessite l’utilisation d’une analyse inverse afin d’obtenir la loi de comportement « contrainte-déformation » (dans le cas d’un BFUP écrouissant en traction directe) ou « contrainte-ouverture de fissure » (dans le cas d’un BFUP adoucissant en traction directe). La configuration de l’essai de flexion quatre points pouvant entraîner des artefacts, elle nécessite un raccordement avec l’essai de traction directe. Pour valider ce raccordement, une méthode d’essai permettant de tester des corps d’épreuve de dimensions identiques en flexion et en traction directe a été mise au point. Les résultats de l’analyse inverse des essais de flexion ont été comparés à ceux des essais de traction directe. La comparaison a notamment permis de démontrer la robustesse des méthodes d’analyse proposées en particulier vis-à-vis de la cohérence de la discrimination écrouissant/adoucissant à partir du relevé de fissures sur chaque éprouvette. Dans un second temps, des méthodes de calcul adaptées à une approche type « contrainte – ouverture de fissure » ou « contrainte – déformation » ont été testées ou développées afin de prédire la résistance ou le comportement des poutres en BFUP soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d’effort tranchant. Cette configuration de sollicitation fait en effet intervenir de façon critique le comportement en traction du matériau. Pour valider ces méthodes de calculs, onze poutres en BFUP armé ou précontraint, avec ou sans armatures transversales et avec ou sans fibres (métalliques ou organiques) ont été testées sous une configuration de flexion conduisant à une rupture par effort tranchant. La caractérisation simultanée du comportement mécanique des BFUP à l’échelle du matériau en prenant en compte l’orientation réelle des fibres au sein des poutres, qui constitue une originalité de ce programme, s’est avérée particulièrement importante pour constater l’interaction entre le matériau, la géométrie de la structure et le procédé de mise en œuvre du BFUP sur l’orientation des fibres. Les méthodes d’analyse des essais de flexion quatre points mises au point ont permis d’évaluer quantitativement l’influence de la structure sur les paramètres caractérisant le comportement en traction du BFUP, notamment la déformation correspondant à la localisation de la fissure et marquant la fin du comportement global « pseudo-plastique ». Les conditions de synergie d’éventuelles armatures transversales et du BFUP vis-à-vis de la résistance à l’effort tranchant, ont pu être mises en évidence. Pour étendre l’analyse, la capacité de l’approche en « contrainte – ouverture de fissure » à prédire la résistance de poutres soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d’effort tranchant a été testée. L’approche en « contrainte – déformation » a également été appliquée, contribuant au développement et à la validation de méthodes élastoplastiques adaptées aux BFUP

  • Titre traduit

    Contribution to identification of UHPFRC tensile constitutive behaviour and accounting for structural design


  • Résumé

    Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) are characterized by a compressive strength much higher than Very High Performance Concrete (VHPC) currently considered by standardisation, an excellent durability and the use of relatively high content of fibers. In particular, their tensile strength is quite important. Nevertheless, depending on fibers ratio and fibers types forecasted in the initial mix design and the real orientation of fibers in the structure compared with the main tensile directions, UHPFRC can exhibit either strain-softening or strain-hardening tensile behaviour. Each considered behaviour needs specific approaches in order to ensure a safe design. In a first time, characterization methods of UHPFRC tensile behaviour have been developed in order to determine which type of behaviour will occur considering a given UHPFRC and structure. These methods are based on the four point bending test. An inverse analysis of the results of this experimental method permits to deduce the “stress – strain” relationship (in the case of hardening UHPFRC) or “stress – crack opening” relationship (in the case of softening UHPFRC). The results depend on assumptions assumed during the inverse analysis. Thus, we have developed analysis methods which minimize the number of hypothesis in order to predict the most realistic behaviour law. The four point bending test configuration can involve artefacts. A comparison with direct tensile test is then necessary. In order to conduct this comparison, a direct tensile test method has been developed. It permits to use specimens with the same cross-section for direct traction and for the four point bending configuration. The results obtained from four point bending tests associated with the inverse analysis have been compared to those obtained with direct tensile tests. This comparison has been achieved using results of an experimental campaign considering different specimens sizes and two UHPFRC. Such comparison allows to highlight the effectiveness of the proposed method and particularly, its capability to deduce a strain-hardening or strain-softening behaviour of the material from observed crack patterns. In a second time, calculation methods adapted for « stress – crack opening » or « stress – strain » approaches have been tested or developed in order to predict the ultimate capacity or behaviour of UHPFRC beams submitted to a coupled shear and bending loading. Indeed, for this loading configuration, the tensile behaviour of the material is a main parameter. In order to validate the proposed calculation methods, eleven beams made of reinforced or prestressed UHPFRC, with or without stirrups and with or without fibers (metalics organics) have been tested in bending conducting to shear failure. The concomitant characterization of the UHPFRC mechanical behaviour at the “material scale”, taking into account the real orientation of fibers within the beams, constitutes an originality of this program. It has been useful to analyze the interaction between material, structure configuration and casting method on the orientation of fibers. Moreover, developed analysis methods of four point bending tests have been used to evaluate the influence of the structure (real orientation of fibres, influence of an eventual prestress or the structure configuration) on the parameters characterizing the tensile behaviour of the UHPFRC, in particular the strain corresponding to the localization of a critical crack. The conditions of additional contribution of UHPFRC and eventual stirrups in the shear capacity of the beam have been described. In order to extend the analysis, the approach based on the “stress – crack opening” relationship has been tested in order to predict the shear capacity of beams. The approach based on “stress – strain” relationship has also been applied, participating to the development and the validation of elastoplastic methods adapted to UHPFRC


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