Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées

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1 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 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. Ce travail a pour objectif d analyser le comportement mécanique d un nouveau mode d assemblage des poutres mixtes acier-béton. Dans un premier temps, nous avons réalisé un essai statique en flexion trois points jusqu à la ruine sur une poutre mixte collée de 2 m de portée, dans le but d analyser le comportement mécanique initial de la structure collée et de déterminer la charge élastique maximale. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé un essai de charge cyclique sur une deuxième poutre, identique à la première, afin de déterminer son comportement à la fatigue. Ce premier résultat tend à montrer que la connexion par collage dans les structures mixtes acier-béton présente une bonne résistance à la fatigue et ne constitue pas un facteur clef du dimensionnement. Toutefois, ce résultat devrait être confirmé par d autres essais. ABSTRACT. This work aims to analyze the mechanical behaviour of a new mode of assembly of steel-concrete composite beams. As a first step, we conducted a static test in three-point bending until failure of a bonded steel-concrete beam with 2 m of range, in order to analyze the initial mechanical behaviour of the bonded structure and to determine the maximum elastic load. In a second step, we performed a cyclic loading test on a second beam, identical to the first, to determine its fatigue behaviour. This first result suggests that the bonding connection in composite steel-concrete exhibits good resistance to fatigue and doesn t constitute a key factor in the design. However, this result should be confirmed by other tests. MOTS-CLÉS: poutre mixte, connexion par collage, flexion, comportement statique, fatigue. KEY WORDS: composite beam, bonding, bending test, static and cyclic behaviour.

2 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 2 1. 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 [LEB 87, LEB 98] ; 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 [MIK 10]. 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. Beaucoup de travaux récents ont montré une bonne résistance de cette liaison et qu on peut obtenir la ruine d une poutre mixte acier béton par rotule plastique de façon analogue au cas des goujons [BOU 07, BOU 08, JUR 11], mais tous ces essais sont des essais statiques sauf, à notre connaissance, une seule étude faite pour déterminer la loi de comportement en fatigue du joint de colle [SI L 05]. Dans cette étude, la connexion est testée par un essai double recouvrement qui sollicite le joint de colle en cisaillement seulement ce qui ne ressemble pas au cas de la sollicitation réelle des poutres et qui ne donne pas une valeur fiable pour dimensionner les poutres fonctionnant en flexion [JUR 12]. Afin de compléter les connaissances sur le comportement en fatigue des poutres mixtes acier-béton collées, nous présentons le comportement expérimental d une poutre sollicitée de façon cyclique pour plus de 2 millions de cycles (nommée AB9). La ruine n ayant pas été obtenue, cette poutre est chargée en statique jusqu à la ruine. Son comportement est ensuite comparé à celui de la même poutre non fatiguée (nommée AB8). 2. Caractérisation des matériaux 2.1. Propriété du béton La composition du béton est la même pour les deux poutres AB8 et AB9. Le béton utilisé pour les poutres est un pré mélange de type C25/30 avec une taille du

3 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 3 plus gros granulat de 8 mm de la marque WEBER BETON STANDARD. Six éprouvettes Ф16x32 ont été préparées 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. Tableau 1. Résultats des essais de caractérisation du béton par compression et fendage Propriétés de l acier Le profilé métallique est un IPE 120 S275. 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 Propriétés de l adhésif 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 réalisés 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 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 4 3. Campagne expérimentale réalisée 3.1. Géométrie des corps d épreuve Deux poutres identiques de 2 mètres de portée ont été réalisées (AB8 & AB9) : elles associent chacune un IPE 120 S275 à une dalle de 43 x 300 mm 2. L acier et le béton sont assemblés par un joint époxy de faible épaisseur (non mesurée mais estimée à un millimètre). La géométrie des deux poutres est représentée sur la Figure 1. La dalle est armée longitudinalement de 3 HA 8 avec un enrobage de 15 mm. Figure 1. Positionnement des jauges de déformations. (Côtes en mm) Figure 1. Géométrie des poutres AB 8 et AB 9 et position des mesures (côtes en mm) Chargement et instrumentation Chaque poutre est testée en flexion 3 points centrée. Outre la force imposée à mi portée, le déplacement vertical en section centrale a été mesuré au moyen d un LVDT de course 100 mm. Les déformations ont été mesurées dans 3 sections de la

5 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 5 poutre, dans la dalle et dans le profilé, au moyen de jauges de longueur de grille de 70 mm et 10 mm respectivement. La Figure 2 donne le détail de l emplacement des mesures 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. Figure 2. Positionnement des jauges de déformations. (Côtes en mm) 4. essai statique de flexion La poutre AB8 est testée en flexion 3 points jusqu à la ruine afin d analyser le comportement mécanique de la structure collée non fatiguée. La poutre se comporte d une façon linéaire jusqu à 56,42 kn puis l acier du profilé plastifie et la rotule plastique se développe dans la section centrale. La ruine est obtenue lorsque dans cette même section le béton en fibre supérieure s écrase vers 73,00 kn (voir Figure ). 5. Essai de fatigue L objectif de cet essai n est pas de déterminer de façon complète la courbe de Wöhler mais de vérifier si ce type de connexion se comporte de manière satisfaisante sous une charge cyclique et ne présente pas de grande faiblesse. La poutre AB9 a été soumise à une charge sinusoïdale de plus de 3 millions cycles de fréquence 1 Hz variant entre 25 % et 40 % de la charge élastique maximale (déterminée sur AB8) ce qui correspond a une variation de flèche à mi- portée entre 2.6 mm et 3.8 mm par rapport à la position non chargée.(figure 3 et Figure 4)

6 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 6 Figure 3. Cycles de charge/décharge Figure 4. Courbe flèche/temps Aucun décollement ou fissuration n a été détecté durant l essai et la poutre a passé avec succès le test de fatigue. La Figure 5 montre l évolution de la flèche entre les premiers cycles et les derniers cycles. On constate une légère augmentation d environ 13% qui correspond à la fois à la baisse de rigidité du béton sous chargement cyclique et aux effets du fluage.

7 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 7 Figure 5. Variation de la flèche pendant l essai de fatigue 6. Chargement jusqu à la ruine Après l essai de fatigue, la poutre AB9 a été chargée jusqu à la ruine pour estimer sa capacité portante résiduelle. Le comportement global est présenté sur la Figure 6 et comparé à celui de la poutre AB8. Comme dans le cas de la poutre AB8, le comportement de la poutre AB9 est linéaire jusqu à 54,92 kn (56,42 kn pour AB8) puis au-delà, le comportement devient non linéaire du fait de la plastification de l acier et de l endommagement progressif du béton en compression (Figure 7). Figure 6. Courbe force/ flèche

8 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 8 Figure 7. Déformation en SC La rupture est atteinte pour une charge de 68,85 kn (73,07 kn pour AB8), par écrasement du béton dans la section centrale exactement comme le mode de ruine d AB8 (Photo 1). Malgré une légère diminution de la charge à rupture (environ 6%), on peut dire que le comportement global a été peu affecté par la sollicitation de fatigue. Photo 1. Rupture par rotule plastique

9 Résistance à la fatigue de poutres mixtes acier-béton collées 9 7. Conclusion Dans cet article, nous avons montré que la connexion par collage dans le cas des structures mixtes acier-béton présente un bon comportement à la fatigue puisqu après plus que 2 millions de cycles, le comportement et en particulier la charge maximale et le mode de ruine d une poutre fléchie sont peu modifiés par rapport au comportement de la même structure non fatiguée. Ce résultat très encourageant doit être confirmé par d autres essais. 8. Bibliographie [BOU 07] Bouazaoui L., Perrenot G., Delmas Y., Li A., «Experimental study of bonded steel concrete composite structures», Journal of Constructional Steel Research 63, 2007, p [BOU 08] 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 [JUR 11] Jurkiewiez B., Meaud C., Michel L., «Non linear behaviour of steel-concrete epoxy bonded composite beam», Journal of Constructional Steel Research 67, 2011, p [JUR 12] Jurkiewiez B., Tout F., Ferrier E., «Structures mixtes acier-béton : recherche d optimisation de l interface», Actes des 30 e rencontres de l AUGC-IBPSA, Chambéry, 6-8 juin [LEB 87] 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 [LEB 98] 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 [MIK 10] Projet National MIKTI., «Ponts Mixtes Acier - Béton Un guide pour des ouvrages innovants», Presses des Ponts, 2010, p [SI L 05] SI LARBI A., Contribution à l étude d un assemblage acier-béton par collage application aux ponts mixtes, Thèse de doctorat, Université Claude Bernard Lyon1, 2005.