Structures mixtes acier-béton collées : recherche d optimisation de l interface

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1 Structures mixtes acier-béton collées : recherche d optimisation de l interface F. Tout 1, B. Jurkiewiez 2, E. Ferrier 3 (1,2,3) Université de Lyon, Université Lyon 1, INSA-Lyon, LGCIE, 82 boulevard Niels Bohr, F Villeurbanne cedex, France, Tel. : , Fax : , 1 firas.tout@etu.univ-lyon1.fr 2 bruno.jurkiewiez@univ-lyon1.fr 3 emmanuel.ferrier@univ-lyon1.fr RÉSUMÉ. Cette étude porte sur l optimisation de l interface des poutres mixtes acier béton assemblées par un joint d adhésif. Dans un premier temps, nous avons étudié l influence de création d engravures dans le béton remplies de colle par des essais push-out inspirés de l Eurocode. Cette création a doublé la contrainte moyenne de cisaillement du joint de colle. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé un test expérimental en flexion quatre points sur deux poutres mixtes collées (2 m de portée entre appuis), avec et sans engravures, dans le but d étudier cette influence sur des éléments structuraux. On a observé le même comportement et le même mode de ruine pour les deux poutres ce qui tend à montrer qu en flexion statique, les engravures sont inutiles. ABSTRACT. This study concerns the optimisation of the interface of the steel-concrete composite beams assembled with an adhesive joint. First we studied the influence of creation of grooves with in concrete and filling it with adhesive by push out tests inspired from Eurocode. This technique has improved the average shear stress of the adhesive joint. In a second step, we conducted four point bending test on composite beams (2 meter span between supports), with and without grooves, in order to study its influence in structural elements. We obtained the same behaviour and the same failure mode for both beams which it seems to show its ineffectiveness in that test condition. MOTS-CLÉS : Poutres mixtes, connexion par collage, comportement statique, tests push-out. KEY WORDS: Composite beam, Bonding, Static behavior, Push-out tests.

2 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Introduction Dans les ponts mixtes acier-béton, la connexion entre la charpente métallique et la dalle en béton armé est très souvent obtenue au moyen de goujons en acier soudés sur la structure métallique. Une fois la structure métallique en place, la dalle est coffrée puis bétonnée noyant ainsi dans le béton les goujons ce qui, une fois le béton durci, solidarise de façon très efficace la charpente métallique et la dalle. Cette technique de construction est parfaitement rodée mais elle présente deux inconvénients : le retrait de la dalle est empêché dès les premiers jours de durcissement ce qui peut provoquer une fissuration pénalisante pour la durabilité [LEB87, LEB98] ; d autre part, le coffrage de la dalle requiert un équipement lourd et s avère très chronophage. Le projet National MIKTI a montré que la connexion par collage direct de la dalle préfabriquée est une alternative envisageable [MIK10]. Elle permet d obtenir une qualité élevée de réalisation des dalles et de limiter considérablement les effets néfastes du retrait puisque la solidarisation dalle charpente peut être effectuée lorsqu une partie du retrait a déjà eu lieu et que le béton a atteint sa résistance maximale. En outre, cette technique induit une connexion continue contrairement à celle des dalles préfabriquées avec paquets de goujons. Le collage requiert toutefois une préparation optimale des surfaces et l emploi d un adhésif structural adapté mis en place de façon rigoureuse. Des travaux récents ont montré que, sous réserve que la connexion par collage soit correctement dimensionnée et réalisée, on peut obtenir la ruine d une poutre mixte acier béton par rotule plastique de façon analogue au cas des goujons [BOU07, BOU08, JUR11]. Toutefois, les surfaces collées nécessaires sont assez importantes pour obtenir des contraintes maximales de cisaillement à l interface dans le béton voisines de sa résistance en traction ce qui s avère assez contraignant pour le dimensionnement d un pont [FUS11]. Dans cet article, nous présentons une tentative d amélioration des performances du procédé de connexion acier-béton par collage. Celle-ci est obtenue en ménageant des engravures dans la dalle à proximité de l interface qui sont alors remplies d adhésif au moment du collage. Ce procédé, très simple à mettre en œuvre sur chantier ou en usine, permet ainsi de combiner une connexion par adhésion et par petites butées mécaniques ce qui modifie l état de contrainte dans la dalle à l interface. L étude présentée a été conduite exclusivement sur le plan expérimental sous sollicitations statiques. Les matériaux ont d abord été caractérisés, puis des essais push-out ont été réalisés en s inspirant de l Eurocode [EUR05a, EUR05b] et deux petites poutres ont finalement été testées en flexion. Les résultats des essais de flexion sont discutés et finalement comparés à des calculs réglementaires.

3 Structures mixtes acier-béton : recherche d optimisation de l interface 3 2. Caractérisation des matériaux Le béton utilisé pour les corps d épreuve push-out et les poutres est un pré mélange de type C25/30 avec une taille du plus gros granulat de 8 mm de la marque WEBER BETON STANDARD. Pour chaque gâchée réalisée, 6 éprouvettes Ф16x32 ont été bétonnées pour la caractérisation des matériaux le jour des essais. La résistance en compression a été déterminée par des essais d écrasement selon la norme NF P sur éprouvette préalablement rectifiée et la résistance en traction par des essais de fendage selon la norme NF P Les résultats sont présentés dans le Tableau 1. On constate que, malgré une composition strictement identique du béton utilisé, une méthodologie de bétonnage et un processus d essai inchangés pour toutes les gâchées, on constate que les résistances varient légèrement. Tableau 1. Résultats des essais de caractérisation du béton par compression et fendage. Le profilé métallique utilisé pour tous les corps d épreuve des essais push out est un HEB 100 S275 et pour les poutres un IPE 120 S235. Des essais de traction ont été réalisés selon la norme ISO (2002) sur des éprouvettes découpées non pas dans ces profilés mais dans un IPE 220 S275, donc de même nuance, ayant servi pour une précédente campagne d essai. Les résultats des essais montrent une limite d élasticité moyenne et une limite à rupture de respectivement 297 MPa et 440 MPa. L adhésif utilisé pour les essais est une colle époxy bi-composante de la marque SIKADUR. Des essais de traction ont été effectués selon la norme ISO (2002) sur des éprouvettes haltères réalisées au laboratoire. La colle présente un comportement élastique, légèrement non linéaire, jusqu à une rupture fragile. La contrainte à rupture vaut en moyenne 25 MPa et le module d élasticité tangent moyen atteint MPa. Notons toutefois que le comportement étudié correspond à la traction simple alors que dans nos essais, le joint de colle est essentiellement sollicité en cisaillement.

4 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Les essais push-out En l absence de norme pour une connexion par collage, la géométrie des corps d épreuve des essais push-out est inspirée de celle de l EC4. Nous avons réalisé 4 séries de corps d épreuves notées PO4-100, PO4-200, PO6-100 et PO Chaque série comprend 3 spécimens identiques (aux imperfections de réalisation près) repérés par exemple pour la série PO4-100 par PO , PO et PO Pour chaque corps d épreuve, la dalle est non armée et la méthodologie de réalisation a permis d obtenir un joint de colle fin dont l épaisseur, non mesurée, est inférieure à 1 mm environ. La surface de collage pour tous les corps d épreuve vaut 100 x 100 mm 2. Les corps d épreuve se différencient les uns des autres de la façon suivante (Figure 1) : - Dans les séries PO_-100, les dallettes font 150 x 100 x 100 mm 3 alors qu elles font 200 x 200 x 100 mm 3 pour les séries PO_ Dans les séries PO6, on a mis dans les coffrages des baguettes de longueur 100 mm pour créer dans les dallettes des rainures et les remplir d adhésif au moment du collage. Figure 1. Spécimens des séries PO4 et PO6. Le décoffrage a été effectué environ 48 h après le bétonnage et les dallettes ont été stockées à l air ambiant du laboratoire jusqu au collage. Le sablage des zones de collage des dallettes a été ensuite réalisé par jet d eau sous pression environ 20 jours après le bétonnage. Les tronçons de HEB ont été découpés à la scie automatique et ébavurés. La zone de collage a été préalablement grenaillée puis les surfaces à coller ont été dégraissées à l acétone quelques heures avant l application d un primaire. Environ 24 h plus tard, les deux composants de l adhésif SIKADUR sont malaxés puis le mélange homogène appliqué sur les deux faces à coller. L acier et les dallettes sont finalement assemblés, ajustés et maintenus sous pression pendant au moins 24 heures. Les essais ont été effectués sur une presse de compression sous chargement monotone croissant jusqu à la ruine. Seule la force a été mesurée. Tous les résultats sont présentés dans le Tableau 2.

5 Structures mixtes acier-béton : recherche d optimisation de l interface 5 Tableau 2. Détail des résultats des essais push out. Dans tous les cas, la rupture se produit de façon brutale, typique d un comportement fragile. Concernant la série PO6-100, la résistance moyenne de cisaillement varie entre 4.60 et 7.00 MPa ce qui fait en moyenne le double de la résistance obtenue pour les PO La rupture est cohésive dans l une des deux dallettes et se produit à l interface des rainures remplies par la colle et le béton tandis que l autre dallette reste attachée à l acier. (Figure 2) Figure 2. Faciès de ruine, éprouvettes PO4-100, PO6-100, PO4-200 et PO Concernant la série PO6-200, la résistance de cisaillement varie entre 7.2 et 7.8 MPa qui est en moyenne plus du double de la valeur obtenue pour les PO Pour les PO6-200, la rupture est adhésive au niveau des rainures et, entre elles, elle est cohésive dans le béton proche de l interface du béton. Pour les deux tailles de dallettes, les résultats montrent que la présence des engravures permet de doubler la contrainte de cisaillement moyenne à rupture. De plus, elles induisent une modification du mode ruine : le cisaillement du béton peut être associé à des faciès typiques de compression illustrant ainsi l effet de butée des engravures. On constate ainsi sur ces essais que la contrainte de cisaillement à rupture moyenne est peu sensible à la taille des dallettes.

6 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Comportement des poutres fléchies. L augmentation des performances observée sur essais push-out est ensuite testée sur poutre. Pour cela, deux poutres identiques de 2 mètres de portée ont été réalisées : elles associent chacune un IPE 120 S235 à une dalle de 43 x 300 mm 2. Dans la première (AB 4), l interface acier-béton est lisse alors qu elle est munie des engravures dans la seconde (AB 5). (Figures 3 et 4) Figure 3. Dalles et Profilés avant collage. Chaque poutre est testée en flexion 4 points jusqu à la ruine afin de favoriser une ruine par cisaillment. La force du vérin a été mesurée par un capteur de force de 20 T. Le déplacement vertical a été mesuré au centre de chaque poutre au moyen d un LVDT de course 100 mm. Figure 4. Géométrie des poutres AB 4 et AB 5 et position des mesures (cotes en mm). Les déformations ont été mesurées dans 2 sections de la poutre, dans la dalle et dans le profilé, au moyen de jauges de longueur de grille de 70 mm et 10 mm

7 Structures mixtes acier-béton : recherche d optimisation de l interface 7 respectivement. Les figures 4 et 5 donnent le détail de l emplacement des mesures de déformations. Figure 5. Positionnement des jauges de déformations. L ensemble des voies de mesures a été raccordé à une centrale d acquisition type VISHAY et les enregistrements ont été effectués pendant l essai en continu avec une fréquence d acquisition de 2 Hertz. Le comportement global des poutres est très proche l un de l autre. Les courbes force flèche (Figure 7) traduisent en effet un comportement linéaire de la structure jusqu à environ 7400 dan puis un comportement non linéaire jusqu à la ruine atteinte pour environ dan par cisaillement dans le béton à proximité de l interface (Figure 6). Les déformations sont en revanche assez différentes, notamment en fibre inférieure du profilé dans la section centrale (Figure 8). En effet, les mesures tendent à montrer une plastification de la semelle de la poutre AB 4 tandis que la déformation ne dépasse pas franchement la limite d élasticité en fibre inférieure de la poutre AB 5. Ces mesures ne sont à ce jour pas encore clairement interprétées. Ainsi, la charge de ruine et le mode de ruine des deux poutres étant identiques, la connexion par collage / butées n apporte dans cet essai aucun accroissement de la charge de ruine par rapport au collage simple contrairement à ce que pouvait laisser prévoir les résultats des essais push-out. Ce résultat pose question quant à la pertinence de la caractérisation de la connexion par essais pushout telle que réalisée dans cette étude en vue du dimensionnement de poutre. Ceci pourrait être expliqué en partie par la différence de sollicitation de l interface entre l essai push-out et l essai de flexion, sans influence majeure dans le cas des goujons mais importante dans le cas du collage. En effet, dans le cas de la flexion, il existe des effets de séparation entre la dalle et le profilé métallique, difficiles à quantifier et empêchés dans le cas des goujons par la tête des connecteurs. Dans le cas du collage, ces contraintes verticales (appelées aussi contraintes de pelage) induisent une sollicitation de cisaillement / traction qui annulerait l effet des butées.

8 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Figure 6. Ruine par cisaillement dans les deux poutres. Figure 7. Courbe force/flèche des deux poutres. Figure 8. Courbe force/déformation en SC pour les deux poutres.

9 Structures mixtes acier-béton : recherche d optimisation de l interface 9 Les valeurs théoriques du moment plastique et de la force de ruine par flexion (rotule plastique) peuvent être estimées à partir des données et du schéma statique de flexion 4 points : l axe neutre plastique se trouve alors à 29.5 mm de la fibre supérieure de la dalle, le moment plastique vaut Nm et la charge de ruine 85.1 kn, la contrainte ultime moyenne de cisaillement à l interface de la dalle atteint 7.5 MPa. Cette charge de ruine est peu sensible à la prise en compte des armatures passives de la dalle et atteindrait kn en supposant une limite d élasticité réelle du profilé de 300 MPa. Ainsi, une analyse classique de type poutre mixte sous-estime de façon non négligeable la capacité portante de cette structure. Cet écart peut s expliquer par un schéma de fonctionnement réel de type bielles tirants induit par une distance appui / charge trop faible. Un schéma de flexion 3 points permettrait de limiter ces effets. 5. Conclusion Dans cet article, nous avons proposé une optimisation du mode de connexion par collage dans les structures mixtes acier-béton par petites butées d adhésif. Cette modification de la géométrie de l interface s est avérée très performante lors de la caractérisation par essais push-out (contrainte à rupture doublée) mais sans effet dans le comportement statique de poutre en flexion 4 points. Il serait toutefois utile de vérifier que les conclusions sont les mêmes dans le cas d un mode de sollicitation différent (flexion 3 points ou fatigue par exemple). D une façon plus générale, cette étude expérimentale montre que la détermination des propriétés d interface par essais push-out dans le cas du collage doit impérativement être corrélée par des essais de flexion. 6. Références bibliographiques [BOU07] BOUAZAOUI L., PERRENOT G., DELMAS Y., LI A., «Experimental study of bonded steel concrete composite structures», Journal of Constructional Steel Research 63, 2007, p [BOU08] BOUAZAOUI L., JURKIEWIEZ B., DELMAS Y., LI A., «Static behaviour of a full-scale steel-concrete beam with epoxy bonding connection», Engineering Structures 30, 2008, p [EUR05a] EUROCODE 4., «Calculation of the steel-concrete composite structures and National Application Document», general rules and buildings rules, part 1. [EUR05b] EUROCODE 4., «Calculation of the steel-concrete composite structures and National Application Document», composite bridges, part 2.

10 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin [FUS11] FUSTOCK N., GALLAS M., LEGAY Q.,«Connexion par collage dans les structures mixtes acier-béton», Projet de fin d études, Mastère professionnel Génie Civil et infrastructures, Université Claude Bernard, [JUR11] JURKIEWIEZ B., MEAUD C., MICHEL L., «Non linear behaviour of steelconcrete epoxy bonded composite beam», Journal of Constructional Steel Research 67, 2011, p [LEB87] LEBET JP.,«Comportement des ponts mixtes acier-béton avec interaction partielle de la connexion et fissuration et fissuration du béton»,thesis n 661 of the PolytechnicFederalSchool of Lausanne, 1987, p [LEB98] J.P. LEBET AND J.M. DUCRET., «Experimental and theoretical study of the behaviour of composite bridges during construction», Journal of Constructional Steel Research 46, 1998, p [MIK10] PROJET NATIONAL MIKTI., «Ponts Mixtes Acier - Béton Un guide pour des ouvrages innovants», Presses des Ponts, 2010, p