Modélisation numérique de l'interface acier-béton : application au comportement des structures en béton renforcées par des aciers plats crantés

Numerical modelisation of steel-concrete interface : application to the behaviour of concrete structures reinforced by the ribbed flat steel

• Auteur / Autrice : Thanh Song Phan
• Direction : Pierre Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 12/11/2012
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Matériaux - MAT (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Alain Millard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Rossi, Jean-Louis Tailhan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Sellier, Bruno Massicotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction -- Matériaux

Béton -- Fissuration

Acier

Construction en béton

Mots clés libres

Interface béton-acier

Acier plat

Fissuration

Modélisation

Steel-concrete interface

Flat steel

Modelisation

Cracking

Résumé

Depuis plusieurs années, la société MATIERE développe un nouveau type de renforcement des structures en béton reposant sur l'utilisation d'aciers plats crantés en substitution des aciers ronds à haute adhérence habituellement utilisés. Ce travail entre dans le cadre du programme de Recherche - Développement des techniques couvertes par les brevets de M. Marcel MATIERE. L'intérêt de ces nouveaux aciers plats crantés réside principalement dans leur géométrie qui permet d'envisager de nouvelles dispositions constructives associées à un gain sur l'épaisseur de béton, notamment au niveau de l'enrobage. Ces aciers sont principalement destinés aux éléments de type dalle ou aux voiles minces où ils permettront de réaliser les économies de béton les plus significatives. Cependant, aucune norme ou règlement ne prend en compte, à ce jour, ces nouveaux aciers. Une étude scientifique validée, principalement basée sur la modélisation numérique, s'est avérée nécessaire pour d'une part modéliser et comprendre l'interaction entre l'acier plat et le béton et, d'autre part, pour justifier que les méthodes de calcul traditionnelles restent applicables à ce genre de renforcement. Dans le cadre de la problématique de la fissuration, une stratégie de modélisation reposant sur une approche probabiliste multi-échelles a été développée. Cette approche multi-échelles ne consiste pas à développer une modélisation qui inclut, dans son formalisme, toutes les échelles, depuis l'échelle très locale jusqu'à l'échelle globale (une structure complète), mais à développer une panoplie de modélisations qui apportent des informations pertinences à l'échelle d'analyse choisie. Quelle que soit l'échelle considérée, la modélisation est succeptible de donner des informations sur l'ouverture et l'espacement de fissures. L'aspect probabiliste est essentiellement lié à l'hétérogénéité du matériau béton. Les modèles développés permettent aussi de tenir compte des effets d'échelle, propres aux matériaux hétérogènes, qui jouent un rôle prépondérant dans le comportement des structures en béton. Le travail de recherche a donc consisté à développer des outils de modélisation du comportement d'interface en parfaite cohérence avec l'échelle de modélisation des phénomènes envisagés, notamment au regard des processus de fissuration des structures renforcées par aciers plats. La démarche scientifique s'est appuyée sur une identification des paramètres de la modélisation par analyse inverse effectuée sur la base de résultats d'essais expérimentaux réalisés sur de grands tirants en béton armé par aciers plats. Les outils de modélisation ont ensuite été validés sur des modélisations du comportement en flexion de poutres-dalles de grandes dimensions comparées à des résultats d'essais expérimentaux. L'ensemble des essais expérimentaux, nécessaires à cette étude, ont été réalisés par Polytech' Clermont à la demande de l'entreprise MATIERE

For several years, the MATIERE company has developed a new type of reinforcement based on the use of ribbed flat steel in substitution of high-adhesion round steel used for precast products. This work is a part of the Technological Research and Development program implemented in the frame of Marcel MATIERE patents. The interest of these new ribbed carbon flat steel lies in their geometry that allows to consider a new structural disposition associated with a gain on the thickness of concrete, particularly at the coating level. These steels are mainly used for thin elements where they will achieve the savings of the most significant concrete. However, no standard or regulation take into account in this time for these new steels. A scientific study validated, mainly based on numerical modeling, is so necessary, firstly, to model and understand the interaction between the flat steel and the concrete, and secondly, to justify the traditional calculation methods are applicable to such reinforcement. In this frame, a modeling strategy based on a probabilistic multiscale approach was developed. This multiscale approach is not to develop a model that includes, in its formalism, all modeling scales, from the very local to the global scale (complete structure), but to develop a panoply of models that provides the relevant informations on the scale of analysis chosen. Whatever the scale considered, the modeling can provide the information relative to the cracks opening and cracks spacing. The probabilistic aspect is mainly due to the heterogeneity of the concrete. The developed models can take into account the scale effects, specific heterogeneous materials, which play an important role in the behavior of concrete structures. The research was therefore to develop a modeling tools of the interface behaviour which is perfectly consistent with the scale modeling of phenomena considered, particularly with regard to the cracking process of structure reinforced by steel plates. The scientific approach was based on a parameters identification of the modeling by an inverse analysis performed on the results of experimental tests carried out on the tie-beam reinforced by flat steel. Modeling tools were then validated on the modeling of the beams-slabs in flection and compared to experimental results. All experimental tests for this study were made by Polytech Clermont Ferrand to the request of the MATIERE company