Chapitre 7. Adhérence des armatures

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1 Dr. Ir. P. Boeraeve Cours de Béton Armé 7-1 Chapitre 7. Adhérence des armatures (sources : Eurocode 2 et Cours de béton armé de J.P. Guissart, Institut Gramme, 2000) 7.1 Nature de l'adhérence On désigne sous le nom d'adhérence les forces de liaison qui s'opposent au glissement des armatures par rapport au béton qui les enrobe. Cette adhérence est principalement due: - à des forces d origine chimique correspondant à un "collage". Ces forces sont de valeur médiocre et peu fiables. - à des forces de frottement dues aux irrégularités de surface naturelles de la barre. Ces forces, plus importantes, sont encore assez limitées. C est le principal mode d adhésion des barres lisses. - à des forces d'engrènement mécanique dues aux saillies et aux aspérités des barres dites à haute adhérence HA (voir ci-contre). Ces forces mettent en jeu la résistance du béton en compression et au cisaillement à proximité de la barre. Barres à haute adhérence (HA) 7.2 Rôle fondamental de l'adhérence Sans adhérence, armer le béton serait inutile. Pour s'en convaincre, examinons le mécanisme de ruine d'une poutre sur 2 appuis soumise à flexion par une charge ponctuelle centrale. a) La poutre 1, avec un trou à l emplacement des armatures, atteint l'état de ruine lorsque la contrainte de traction dans le béton atteint sa valeur maximale f ctm. La force P 1 qui y correspond est donc très faible. δ P 2 P 1 σ t = f ctm σ t = f ctm b) La poutre 2, qui comporterait une armature lisse et graissée (donc sans adhérence), atteindrait la rupture pour une charge P 2 = P 1. En effet, lorsque la contrainte de traction atteint f ctm, il y a ouverture d'une fissure et séparation du béton en deux blocs que l'armature, glissante, ne retient pas. P 3 σ t = f yd σ c = f cd c) La poutre 3, avec armatures adhérentes ou crochets d'extrémité, ne se ruine pas sous l'effet de P 1. En effet, lorsque la fissuration du béton se produit pour f ctm, l'armature, solidaire des deux blocs de béton assure un rôle de tirant. Ce dernier reprend seul tout l'effort de traction qui assure l'équilibre. En continuant à charger, le diagramme bitriangulaire de contraintes de départ évolue vers un diagramme parabolique en compression et une force ponctuelle en traction. A noter que lorsque la charge augmente il y a fissuration dans les sections voisines. Pour une charge P 3, la rupture se produit enfin, soit par défaut de résistance de l'acier en traction, soit par défaut de résistance du béton en compression.

2 Dr. Ir. P. Boeraeve Cours de Béton Armé 7-2 Ceci suppose que l'adhérence est suffisante pour transmettre jusqu'à ces modes de ruine la charge de traction du béton à l'acier. Il est donc essentiel de se prémunir de toute rupture par défaut d'adhérence. 7.3 Contrainte d'adhérence Essais L'adhérence est une contrainte de cisaillement qui varie avec le type de barre et la nature du béton. Elle peut se déterminer par des essais appropriés en laboratoire. Il y en a de deux types: - Le Pull-out test, qui donne des résultats un peu favorables à cause d'un effet de voûte. - Le Beam-test, plus sophistiqué mais plus correct. Dans l'un et l'autre cas, on détermine la contrainte d'adhérence par arrachage de la barre. Par ces approches expérimentales, on a pu déterminer que la contrainte d'adhérence augmente: - si le diamètre de la barre diminue - si la longueur d'adhérence diminue - si la densité d'armatures transversales augmente PULL-OUT TEST BEAM TEST Tests d'adhérence La rugosité de surface augmente l'adhérence. Cette rugosité peut être naturelle. Elle est notamment due à la rouille à condition que celle-ci soit elle-même adhérente. L'oxyde de fer réagit avec le ciment sans altérer l'adhérence. La rugosité est de type artificielle si elle est due à des empreintes, crénelures, torsades etc... Dans le cas de barres à haute adhérence, les crochets d'extrémité ne sont plus nécessaires. Pour transmettre les contraintes d'adhérence dans le béton, une certaine épaisseur d'enrobage, correspondant au moins au diamètre de la barre, est nécessaire Valeurs de calcul La norme fournit un tableau des valeurs de calcul de la contrainte d'adhérence f bd (voir MC ) La force d'adhérence La force d'adhérence est directement proportionnelle à la surface extérieure des barres. Dés lors à égalité de section droite, la force d'adhérence augmente avec le nombre de barres. En effet, le périmètre d'une barre de diamètre D vaut: p = π.d Quant au périmètre de n barres de diamètre d, il vaut: p' = n. π.d. 2 2 π. D n. π. d 4. A 4. A Pour une même section droite A = =, on a: D = ou d = 4 4 π n.π Donc p = 2 A. π < p ' = 2 A. n. π La force est évidemment directement fonction de la longueur d'ancrage.

3 Dr. Ir. P. Boeraeve Cours de Béton Armé Longueur d'ancrage Longueur d'ancrage de référence. La longueur d'ancrage de référence lb,rqd nécessaire pour ancrer l'effort A s.f sd qui règne dans une barre droite est déterminée en écrivant l équilibre de la barre, soumise à : un effort de traction F s = f sd.πφ²/ 4 F adh un effort d adhérence exercé par le béton : F adh = f bd.πφ. l b,rqd, si on suppose la contrainte d adhérence constante sur la longueur d ancrage l b,rqd F s Par conséquent, on obtient : l b,rq lb,rqd = (φ/ 4) (f sd / f bd ) où où : f bd est la valeur de calcul de la contrainte d'adhérence (donnée par l Eurocode en fonction de la classe de béton : voir tableau dans MC 11) fsd est la contrainte de calcul de la barre dans la section à partir de laquelle on mesure l'ancrage. A titre d'ordre de grandeur, l'ancrage d'une barre en φ 20 en S500 sollicitée au maximum (f yd )dans un béton de classe 20/25 vaudra: lb, rqd =. = 945mm En flexion simple, on peut prendre l b,rqd f sd = f yd. A s,req /A s, prov où A s,req («required»)est la section d armatures requise, C A s, prov («provided»la section d armatures réellement mise en place. Diagramme de traction (Moment) En effet, la section d armatures requise est B calculée par : M Ed =z.a s,req.f yd, et si on A admet que z, bras de levier des efforts Résistance en Traction internes, change peu lorsque A s varie, on a M Ed =z.a s,req.f yd = z.a s,prov.f sd (Dans l exemple de la figure ci-contre, A s,req = et A s,prov = 4 16). Au point A, 4 16 sont nécessaires pour résister à M Ed,A. Au point B, sont suffisant pour résister à M Ed,B. Par conséquent la longueur d ancrage des que l on arrête sera lb,rqd =( 16/4). (f yd / 2)/f bd ). La résistance des barres sur leur longueur d'ancrage peut être prise en compte en supposant une variation linéaire de l effort. On peut donc, dans le même exemple, mettre les barres renfort à partir de l endroit où les barres déjà en place ne suffisent plus pour autant que l effort résistant (représenté par la ligne en Résistance en Traction l b,rqd B D Diagramme de traction (Moment) E A

4 Dr. Ir. P. Boeraeve Cours de Béton Armé 7-4 pointillés) soit toujours supérieur à l effort sollicitant(courbe en trait plein). Pour le calcul de l b,rqd on peut, dans ce cas, faire l hypothèse sécuritaire que f sd = f yd, donc : lb,rqd= (φ/ 4) (f yd / f bd ). Remarques : 1. cette hypothèse n entraîne aucune conséquence économique, puisque les barres renfort doivent débuter au point B quelle que soit la valeur de lb,rqd. 2. le diagramme de la force reprise par l armature est pratiquement proportionnel au diagramme du moment, or on a vu que ce diagramme devait être «décalé» à cause du fonctionnement en treillis de la poutre suite à la fissuration due à l effort tranchant. En toute rigueur, les considérations ci-dessus s appliquent bien sûr à ce diagramme décalé. C est dans un souci de simplification des figures que le principe d arrêt des barres a été vu sur un diagramme non décalé. L illustration suivante, extraite de l EC2 montre bien l utilisation du diagramme décalé pour la détermination des arrêts de barres Longueur d'ancrage de calcul (voir MC ) Lorsqu on manque de place pour faire un ancrage droit, par exemple en bout de poutre, on peut recourir à des ancrages composés de coudes, boucles, crochets ou barres transversales soudées (voir figure ci-après). L EC2 donne une formule tenant compte de ces types d ancrage.

5 Dr. Ir. P. Boeraeve Cours de Béton Armé Jonction des barres Il est fréquent qu'une armature doive transmettre un effort sur une longueur plus grande que sa propre longueur de barre. On est alors amené à réaliser un transfert de force d'une barre vers une autre. Il existe pour ce faire plusieurs approches: Jonction par manchon fileté ou par soudure Ces méthodes sont onéreuses et ne se justifient que dans des cas particuliers. - Les extrémités des barres sont filetées et raccordées par vissage sur des manchons. - Les barres sont soudées par un cordon dont la longueur est calculée pour reprendre avec sécurité la totalité de l'effort Jonction par recouvrement C'est la méthode la plus conventionnelle. Elle consiste à faire passer la force de traction d'une barre à l'autre par l'intermédiaire de l'adhérence au béton. On se référera à l Eurocode2 ( 8.7) pour le calcul des longueurs de recouvrement.