Analyse expérimentale d'un système innovant de renforcement transversal pour structures en béton armé

Experimental analysis of an innovative transversal reinforcement system for reinforced concrete structures

• Auteur / Autrice : Doraine Rouphael
• Direction : Yann Malécot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil,
• Date : Soutenance le 22/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Evelyne Toussaint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Gagliardini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Ferrier, Olivier Plé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Potentiel d'adhérence

Béton armé -- Carbonatation

Cisaillement (mécanique)

Mots clés libres

Cisaillement

Beton armé

Adhérence

Câbles

Fissure

Corrélation d'images numériques

Shear

Reinforced concrete

Bond

Wire ropes

Cracks

Digital image correlation

Résumé

L'utilisation de câbles métalliques flexibles à haute résistance comme armatures transversales peut être une solution pour réduire l'encombrement des armatures en acier haute adhérence (HA) et faciliter leur mise en place dans le ferraillage d’éléments en béton armé. Cette thèse vise à étudier l'efficacité de câbles métalliques continus pour remplacer les armatures transversales traditionnelles en acier HA et en particulier l’effet de ce remplacement sur le comportement au cisaillement des poutres en béton armé. Grâce à des essais de flexion 4 points, largement utilisés dans la littérature, nous observons l’état de déformation et de fissuration de 14 configurations de poutres. Les configurations différentes par la nature (câbles ou barres HA), le diamètre, l’espacement et l’orientation des armatures transversales. Au total, 32 poutres sont testées. Les champs de déplacement, de déformation et d’ouverture des fissures sont obtenus à l'aide de la technique de corrélation d'images numériques (CIN). Les résultats des essais montrent que le modèle analytique basé sur l’Eurocode prédit une résistance au cisaillement supérieure de 10% en moyenne à celle obtenue expérimentalement lorsque les poutres sont ferraillées transversalement avec des câbles. À l’état limite de service, l’ouverture des fissures est toujours dans les limites autorisées pour tous les spécimens. La différence de comportement des deux types de poutres, renforcées transversalement par des câbles métalliques ou des barres d'acier traditionnelles, se produit à l'apparition de la première fissure diagonale ; une évolution progressive de l'ouverture de fissure se produit lors de l'utilisation d'armatures traditionnelles tandis qu'une ouverture de fissure soudaine accompagnée d'une chute de la valeur de l’effort tranchant se produit dans les poutres renforcées avec des câbles métalliques. Plusieurs chutes soudaines de résistance en cisaillement apparaissent au cours de l'essai avant d'atteindre la rupture. Deux phénomènes peuvent expliquer cette différence de comportement : d’une part la faible rigidité du câble en traction et d’autre part la faible adhérence câble/béton. Pour mettre en lumière ces phénomènes, des essais d’arrachement sur des éprouvettes cylindriques en béton et des essais de flexion 3 points sur des poutres en béton ferraillées longitudinalement avec câbles sont réalisés. Les essais d’arrachement montrent que la nature du câble (lubrifié ou dégraissé) est un facteur important de la résistance de l’interface béton-câble. Les essais de flexion 3 points montrent quant à eux que la première fissure de flexion présente une ouverture importante et brusque pour les poutres ferraillées longitudinalement avec des câbles. Enfin, au delà des aspects mécaniques, afin de vérifier l’intérêt du projet sur le plan de la mise en œuvre, un essai sur chantier est réalisé pour lequel le ferraillage avec des câbles est confronté à la technique de ferraillage classique. Dans des conditions bien définies, les câbles sont plus avantageux en termes de facilité de mise en œuvre et en termes de coût des matériaux.

The use of high-strength flexible metal wire ropes as transverse reinforcement can be a solution to reduce the quantity of high-adhesion (HA) steel reinforcement and facilitate their installation in the reinforcement of reinforced concrete elements. This thesis aims to study the effectiveness of continuous metal wire ropes to replace traditional transverse steel reinforcement HA and in particular the effect of this replacement on the shear behavior of reinforced concrete beams. Thanks to 4-point bending tests, widely used in the literature, we observe the state of deformation and cracking of 14 beam configurations. these configurations differ by nature (wire ropes or HA rebars), diameter, spacing and orientation of the transverse reinforcements. A total of 32 beams are tested. Displacement, strain and crack opening fields are obtained using the Digital Image Correlation (DIC) technique. The test results show that the analytical model based on the Eurocode predicts a shear strength 10% higher on average than that obtained experimentally when the beams are transversely reinforced with wire ropes. At the serviceability limit state, the crack opening is always within the allowable limits for all specimens. The difference in behavior of the two types of beams, reinforced transversely by wire ropes or traditional steel bars, occurs at the appearance of the first diagonal crack; a gradual evolution of the crack opening occurs when using traditional reinforcements while a sudden and fast crack opening accompanied by a drop in the value of the shear force occurs in the beams reinforced with wire ropes. Several sudden drops in shear strength appear during the test before reaching failure. Two phenomena can explain this difference in behavior: on the one hand the low rigidity of the cable in traction and on the other hand the weak adhesion cable/concrete. To shed light on these phenomena, pull-out tests on cylindrical concrete specimens and 3-point bending tests on concrete beams reinforced longitudinally with wire ropes are carried out. Pull-out tests show that the nature of the wire rope (lubricated or degreased) is an important factor in the strength of the concrete-cable interface. The 3-point bending tests show that the first bending crack has a large and sudden opening for the beams reinforced longitudinally with wire ropes. Finally, beyond the mechanical aspects, in order to verify the interest of the project in terms of implementation, an on-site test is carried out for which the reinforcement with wire ropes is compared with the conventional reinforcement technique. Under well-defined conditions, cables are more advantageous in terms of ease of implementation and in terms of material cost.