Comportement de poteaux en béton armé renforcés par matériaux composites (PDF)

par Doc genie civil
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Résumé

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d’éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l’application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n’ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l’établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d’échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d’épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d’analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d’ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d’ancrage des composites a fait l’objet d’une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d’ancrage innovante et à en vérifier les performances.

Grâce à ces différents essais, les gains en termes d’énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu’en termes d’augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l’établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l’Eurocode 8.

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Les séismes constituent un risque naturel majeur ; ils ne sont pas toujours prévisibles et peuvent survenir en de nombreux endroits à travers le monde. Au cours des trois dernières années, plusieurs séismes dévastateurs, de magnitude (Mw) supérieure à 7, ont eu lieu en Chine (Sichuan, mai 2008, Mw = 7,9), à Haïti (janvier 2010, Mw = 7), au Chili (février 2010, Mw = 8,8), au Japon (nord-est de Honshu, mars 2011, Mw = 9), ou encore en Nouvelle-Zélande (Christchurch, février 2011, Mw = 7,1). La Terre ne cesse de trembler, plus ou moins intensément, et les dégâts sont parfois considérables, tant en nombre de victimes qu’en pertes matérielles. On estime par exemple que le séisme de Kobe de 1995 a coûté plus de 80 milliards d’euros. L’impact d’une catastrophe naturelle est d’une manière générale corrélé à son intensité et à la densité de population présente sur le lieu d’occurrence de l’événement. Or, si au cours des siècles l’intensité des séismes a été relativement stable à l’échelle planétaire, la densification et l’urbanisation des populations au cours des dernières décennies sont deux facteurs d’aggravation des conséquences des séismes. Jean Jacques Rousseau ([Rousseau, 1756]) observait déjà ce phénomène au vu des dégâts occasionnés par le séisme de Lisbonne en 1755 ; en effet, si l’on « n’avait point rassemblé là vingt mille maisons de six à sept étages et si les habitants de cette grande ville eussent été dispersés plus également, et plus légèrement logés, le dégât eût été beaucoup moindre et peut-être nul ». L’impact des séismes est donc indéniablement lié à nos besoins qui ne cessent d’augmenter en termes de bâti, et la problématique de sécurisation parasismique des constructions humaines est un enjeu majeur pour nos civilisations modernes.

Certains pays d’Europe et des pays tels que le Japon et les États-Unis, ont ainsi développé une « culture » sismique relativement importante et leurs règles de construction s’attachent à garantir un bâti fiable et sécuritaire vis-à-vis des séismes. Une illustration parfaite de la pertinence de cette démarche réside dans la résistance d’un grand nombre d’infrastructures suite au séisme survenu au Japon le 11 mars 2011 (même si d’autres désordres ont été générés par le tsunami qui a suivi). En effet, les routes accidentées, les aéroports et les ports ont pu rouvrir moins d’une semaine après le séisme pour les véhicules d’urgence ([The Japan Times, 2011]), et environ deux semaines après le séisme pour le trafic général ([Daily Yomiuri online, 2011]).

La garantie de disposer de constructions fiables apparaît ainsi comme une nécessité dans l’organisation de la sécurité publique et la prévention des risques majeurs ([J.O., loi n°2004-811, 2004]) ; cependant, le renouvellement de toutes les infrastructures de génie civil ou des bâtiments qui ne sont pas aux normes sismiques n’est évidemment pas envisageable instantanément. L’étude de la vulnérabilité des structures et des moyens de les réhabiliter représente donc une priorité d’intérêt général. En France, le nouveau zonage sismique national ([J.O. n°0248, décret n°2010-1254, 2010] et [J.O. n°0248, décret n°2010-1255, 2010]), lié à l’Eurocode 8 ([EN 1998]), implique le reclassement de certains ouvrages/bâtiments construits dans des zones dont le niveau de sismicité a été relevé ; une réévaluation de ces structures est donc nécessaire. A ce titre, le Plan Séisme Antilles (présenté en conseil des ministres le 17 janvier 2007, [DGPR, 2009]) déploie d’importants programmes de réduction de la vulnérabilité du bâti. L’objectif est, qu’en moins de 20 ans, la majeure partie du bâti public (enseignement, santé, gestion de crise, logement social) soit, si nécessaire, renforcée ou reconstruite pour résister à un séisme majeur. Cette prescription est par ailleurs confirmée par l’OPECST (Office Parlementaire d’Évaluation des Choix Scientifiques et Technologiques) qui déclare ([OPECST, 2010]) que si un séisme tel que celui de Fort-de-France en 1839 se produisait aujourd’hui, il provoquerait plus de 30 000 victimes.

Au sommaire

Introduction générale

Chapitre 1 Étude bibliographique

  • 1.1 Séismes et pathologies associées
  • 1.1.1 Généralités
  • 1.1.2 Mécanismes de ruine d’éléments structuraux particuliers : les poteaux en béton armé
  • 1.1.3 De la nécessité du renforcement parasismique
  • 1.2 Solutions de renforcement parasismique applicables aux poteaux
  • 1.2.1 Renforcement par chemisage en acier ou en béton armé
  • 1.2.2 Renforcement par matériaux composites collés
  • 1.2.3 Synthèse et évolution des solutions de renforcement par PRF
  • 1.3 État des lieux des normes actuelles concernant le renforcement de poteaux
  • en béton armé par matériaux composites
  • 1.3.1 Modèles de confinement du béton par matériaux composites
  • 1.3.2 Eurocode 8
  • 1.3.3 Règles de l’Association Française de Génie Civil (AFGC)
  • 1.3.4 Le code de calcul italien
  • 1.3.5 Règlementation japonaise
  • 1.3.6 Règles d’ISIS Canada research Network
  • 1.3.7 Règles de l’American Concrete Institute (ACI)
  • 1.3.8 Synthèse concernant les différents codes de calcul présentés
  • 1.4 Conclusions de l’étude bibliographique

Chapitre 2 Ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites

2.1 Introduction
2.2 Revue bibliographique des systèmes d’ancrage existants
2.3 Description et caractérisation d’ancrages innovants de plats pultrudés
utilisés en renforcement
2.4 Essais de caractérisation des ancrages
2.4.1 Préparation des essais
2.4.2 Instrumentation
2.5 Synthèse des résultats expérimentaux obtenus sur les premiers prototypes
d’ancrage
2.6 Résultats de caractérisation du système d’ancrage avec un angle de 15° 108
2.6.1 Instrumentation des essais sur ancrages avec angle
2.6.2 Chargement et acquisition
2.6.3 Résultats des essais sur ancrages avec angle
2.7 Synthèse des résultats et étude comparative entre les lamelles simples et le
système d’ancrage innovant
2.8 Modélisation analytique et numérique des essais : étude de la répartition de
la contrainte de cisaillement dans les joints collés des ancrages testés
2.8.1 Courte introduction au modèle du joint collé
2.8.2 Cas de la lamelle simple
2.8.3 Cas de la lamelle ancrée
2.8.4 Amélioration du modèle : tissu de confinement
2.8.5 Proposition d’une loi de comportement effort-deplacement pour l’ensemble de « l’assemblage lamelle ancrée »
2.9 Conclusions sur le système d’ancrage

Chapitre 3 Comportement de poteaux en béton armé renforcés par PRF et
sollicités en flexion composée

Introduction et objectifs du programme expérimental

  • 3.1 Synthèse de quelques éléments bibliographiques permettant de définir la
  • campagne d’essai
  • 3.2 Programme expérimental
  • 3.2.1 Corps d’épreuve
  • 3.2.2 Matériaux et configurations de renforcement
  • 3.2.3 Sollicitations appliquées et configuration de l’essai
  • 3.2.4 Instrumentation
  • 3.3 Présentation et analyse des résultats expérimentaux
  • 3.3.1 Vérification de l’encastrement du poteau
  • 3.3.2 Principaux résultats expérimentaux
  • 3.3.3 Analyse des courbes de capacité
  • 3.3.4 Conception et essai d’une configuration de renfort révisée
  • 3.3.5 Approche énergétique
  • 3.3.6 Évaluation de la raideur
  • 3.3.7 Conclusions concernant les résultats expérimentaux
  • 3.4 Modélisation du comportement des poteaux : analyse non linéaire effectuée
  • sur le logiciel Beam Compo
  • 3.4.1 Présentation du logiciel Beam Compo
  • 3.4.2 Évolution du logiciel pour le traitement des essais réalisés
  • 3.4.3 Modélisation des essais sur poteaux
  • 3.5 Contribution à l’étude de règles de calcul simplifiées pour un renforcement
  • par matériaux composites de poteaux sollicités en flexion composée
  • 3.5.1 Vérification des sections en termes de moments
  • 3.5.2 Vérification de la rotation de corde ultime
  • 3.5.3 Conclusions sur les aspects de dimensionnement

Conclusions et perspectives
Références bibliographiques
Annexe 1 Ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites :
essais sur lamelles simples
Annexe 2 Ancrage des matériaux composites : Essais sur lamelles ancrées.

Annexe 3 Ancrage des matériaux composites : Essais sur lamelles ancrées
crantées
Annexe 4 Caractérisation du matériau béton lors des différents coulages
Annexe 5 Essais de traction sur aciers
Annexe 6 Modélisation des essais sur poteaux avec le logiciel Beam Compo


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