Comportement structurel de voiles courts BA renforcés par matériaux composites

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1 Comportement structurel de voiles courts BA renforcés par matériaux composites QAZI Samiullah 1, MICHEL Laurent 1, FERRIER Emmanuel 1 1 LGCIE, Université Lyon 1, INSA LYON, 82 bd Niels Bohr, Villeurbanne Cedex, France RÉSUMÉ. Le présent article traite du comportement de voiles béton armé, dits courts, sollicités dans leur plan de façon alternée. L objectif est de caractériser l apport des matériaux composites afin de prévoir le renforcement de ce type de structure dans le cadre de la mise en conformité parasismique. Plusieurs spécimens ont été réalisés et testés expérimentalement afin de quantifier leur capacité structurelle mais aussi de prévoir différentes dispositions constructives vis-à-vis des renforts composites mis en place. Un modèle bielles-tirants est ensuite présenté. Ce modèle permet de prédire un comportement global des structures voiles BA courts pour différentes configurations et différents types de renforts. ABSTRACT. This paper discusses the behavior of reinforced concrete walls, also called deep beams, loaded transversally in their plane by alternate forces. The objective is to characterize the contribution of composite materials to provide strengthening of this type of structure in the context of seismic retrofitting. Several specimens were made and tested experimentally to quantify their increase in structural capacity but also provide different structural arrangements of composite reinforcements. Strut and ties model is then presented. This model predicts a global behavior of reinforced concrete short walls for different configurations and different types of reinforcements. MOTS-CLÉS : béton armé, voiles, renforcement composite, sismique KEY WORDS: reinforced concrete, wall, composite reinforcement, seismic.

2 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai Introduction Les murs en béton armé font généralement partie intégrante de la structure primaire résistante des bâtiments. Plusieurs études ont mis en évidence leur importance dans la limitation des dommages issus des séismes. En effet, ils permettent de dissiper l énergie sismique. Les principales causes de dommages peuvent être l apparition d une activité sismique plus forte que prévue, une mauvaise conception ou encore des défauts de construction. La réponse d un mur en béton armé dépend dans une large mesure du rapport entre sa hauteur et sa largeur. Les murs dont le rapport est inférieur à 2 sont considérés comme étant des voiles courts, dans le cas contraire ils sont considérés comme élancés. Les murs courts peuvent supporter de fortes contraintes de cisaillement. Les modes de défaillance peuvent être un glissement à la liaison avec la fondation ou encore une fissure diagonale de cisaillement dans le plan du mur. Pour renforcer des structures en béton armé, plusieurs types de renforcement ont été développés ces dernières années. On peut citer le collage de tôles d acier, la précontrainte additionnelle, le chemisage en béton armé ou encore le renforcement par matériaux composites (polymères renforcés de fibres notés PRF). Parmi ces techniques, celle du renforcement par PRF devient populaire en raison de sa légèreté, sa mise en œuvre aisée et sa résistance à la corrosion. La technique consiste à disposer des bandes de tissus ou plats composites sur les zones à renforcer à l aide d un adhésif (souvent époxy). Le comportement en cisaillement est difficilement décrit par la théorie des poutres du fait de l interaction entre la flexion et le cisaillement lorsque l élément est court et que les hypothèses de Saint Venant ne sont pas vérifiées. Les modèles bielles-tirants sont utilisés pour évaluer le comportement linéaire et non linéaire des murs courts soumis à des chargements monotones ou cycliques. Ces modèles sont adoptés par certains codes de calcul tels que l ACI, l Eurocode ou encore le CEB-FIB. Les modèles bielles-tirants sont composés de bielles de béton sollicitées en compression et de tirants sollicités en traction où l acier constitue l élément résistant à l ELU. Dans le cadre des structures renforcées par matériaux composites, les éléments de renfort sont ajoutés à la contribution en traction. Pour que le modèle soit efficace, il faut satisfaire l équilibre statique, garantir la résistance de chaque élément à l ELU. 2. Approche expérimentale

3 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai Description des corps d épreuve Le choix de la géométrie des voiles courts est dérivé des travaux de recherches de Greifenhagen. Dans la présente étude, les voiles testés représentent un voile de bâtiment à l échelle 1/3. Ils ont une longueur de 900 mm, une hauteur de 610 mm et une épaisseur de 80 mm. Le ferraillage est composé de deux nappes de treillis PAFC (armatures de 4,5 mm de diamètre espacées tous les 200 mm dans chaque direction) et de 2 armatures verticales de diamètre 6 mm dans chaque extrémité de voile. Les voiles comportent une semelle de fondation et d une poutre supérieure rigide symbolisant un plancher supérieur. Les deux blocs rigides sont reliés par le voile étudié. Le coulage des spécimens s est effectué en deux phases, dans un premier temps le coulage des blocs inférieurs et supérieurs et dans un second temps le coulage du voile. Par conséquent, des armatures en attente et une talonnette ont été mises en place pour assurer une liaison adéquate entre les différents éléments (Figure 1). La nuance des aciers utilisés est S500B et la résistance à la compression est égale à 30 MPa. Figure 1. Détails des caractéristiques géométriques des éléments béton armé Les différents types de renforcement par composites mis en place sont issus des analyses des différents résultats d essai du voile court de référence. La Figure 2 suivante montre les différentes configurations de renforcement mise en place durant le programme de recherche. Le renforcement utilisé est un tissu de fibres de carbone

4 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai bidirectionnel fourni sous forme de bandes composites de 50 mm de largeur et une épaisseur de 0,48 mm. Le module d Young est égal à 105 GPa et la limite à rupture est égale à 1400 MPa. Afin de garantir une bonne adhérence des renforts composites sur le support béton, un surfaçage mécanique est réalisé conformément aux préconisations de l avis technique su système de renforcement. De plus pour garantir une liaison mécanique suffisante entre les renforts collés et le bloc inférieur, des ancrages composites ont été placés sur l ensemble des bandes verticales. Au total, cinq voiles ont été réalisés et testés pour l étude. a) Murs S1 et S3 b) Mur SR2 c) Mur SR4 d) Mur SR5 Figure 2. Détails des caractéristiques géométriques des renforcements 2.2. Descriptifs des essais Les essais ont été réalisés à l aide d un mur de réaction permettant de solliciter les éléments suivant deux directions (verticale et horizontale). Pour l ensemble des essais le chargement vertical est constant et égal à 110 KN. Cet effort correspond à la masse du plancher supérieur couramment prise en compte. Le chargement horizontal est appliqué sur le bloc supérieur suivant un pilotage en déplacement. Le voile béton armé est fixé sur la dalle d essai par l intermédiaire de tiges filetées n autorisant pas de glissement ni de soulèvement de la semelle inférieure pendant le chargement (Figure 3).

5 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai Figure 3. Visualisation du système de chargement mis en place Deux types de chargement horizontaux ont été mis en œuvre. Dans un premier temps, un chargement monotone a été effectué sur les voiles S1 et SR2 afin de caractériser le voile BA témoin et d estimer l apport du renfort composite sur la structure. Le chargement en déplacement a été mené à une vitesse de 1 mm/min. Dans un second temps, un chargement cyclique a été imposé aux voiles S3, SR4 et SR5. Le graphique de la Figure 4 explique le cycle de chargement imposé aux différents voiles. Ce chargement est un chargement alterné tirant-poussant permettant d analyser les effets de l alternance des efforts sur le comportement des éléments (comme dans le cas d un séisme). Les niveaux de chargement ont été basés sur les déplacements relatifs en tête imposés à la structure compris entre 0,1% et 1,8%. La limite de vitesse du système de chargement de 180 mm/min a été prise en compte pour la valeur haute du déplacement imposé en tête. Ainsi, les vitesses imposées pour chaque niveau de chargement ont été comprises entre 10 et 180 mm/min de sorte que la période de chaque cycle soit identique tout au long du chargement. Pour chaque niveau de chargement, trois cycles tirant-poussant ont été imposés. Figure 4. Descriptif du train de cycles imposé dans le cas des sollicitations alternées Pour chaque essai une instrumentation spécifique a été mise en place. Six capteurs de déplacement de type LVDT ont été disposés. 4 LVDT horizontalement le long du corps d épreuve, 2 LVDT verticalement aux deux extrémités de la semelle

6 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai permettant de visualiser les soulèvements éventuels entre le mur et la semelle inférieure. Deux capteurs d effort ont été placés au droit des forces appliquées. Des jauges d extensométrie sont placées sur les armatures métalliques longitudinales (diamètre 6 mm) au niveau de la liaison entre la semelle inférieure et le voile. Enfin dans le cas des configurations renforcées, neuf jauges d extensométrie ont été placées sur les renforts composites afin de visualiser leur comportement au cours de l essai (Figure 5). Figure 5. Positionnement de l instrumentation des corps d épreuve 3. Analyse des résultats 3.1. Essais statiques La Figure 6 présente les courbes charge-déplacement en tête de voile (LVDT 2) des murs S1 et SR2. Les essais confirment que le renfort composite n influe pas sur le comportement initial des murs. Par conséquent, la charge correspondant à la limite d élasticité des armatures est proche dans les deux cas de 108 kn pour un déplacement de 0,8 mm. Au-delà de cette valeur, la contribution des composites devient évidente et permet d augmenter à la fois la charge de ruine mais également le déplacement ultime. Figure 6. Courbes charge-déplacement LVDT2 en chargement monotone Le renforcement permet de passer d un effort de ruine de 158 kn à 219 kn et d augmenter le déplacement de 4,2 mm à 7,43 mm soit respectivement une augmentation de 38% et 55%.

7 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai Essais cycliques Les courbes présentées sur la Figure 7 exposent les variations de la réponse cyclique des voiles béton armé S3, SR4 et SR5. Les valeurs maximales de charge obtenues sont respectivement 138,7 kn, 170,5 kn et 169,5 kn. Les courbes d hystérésis indiquent une augmentation de la raideur initiale des murs SR4 et SR5 par rapport au voile court de référence cyclique S3. S3 SR4 Figure 7. Courbes d hystérésis des voiles sollicités en cyclique SR5 Figure 8. Courbes enveloppes des voiles sollicités en cyclique L augmentation de la raideur initiale pour les deux voiles renforcés par matériaux composites vient de la mise en place de mèches d ancrage transversales permettant de limiter le décollement par flambage des bandes composites qui se trouvent comprimées de façon alternée. Comme dans le cas statique la valeur d effort

8 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai correspondant à la limite élastique des armatures métalliques est relativement similaire pour l ensemble des corps d épreuve. Après l initiation de la fissuration, les renforts composites permettent d augmenter à la fois l effort repris et les déplacements transversaux. Les déplacements ultimes obtenus sont pour les voiles S3, SR4 et SR5 respectivement de 7,5 mm, 9,8 mm et 12 mm (Figure 8). 4. Modélisation La modélisation des voiles courts est de type Bielles-Tirants 2D. Les bielles comprimées en béton sont représentées par les lignes pointillées et les tirants sont représentés par les lignes pleines (Figure 9). Figure 9. Schéma synthétique de la configuration prise en compte dans le modèle Les tirants sont placés conformément au placement des armatures verticales. Le système est considéré comme filaire, les éléments ne travaillent donc qu en tractioncompression, les efforts appliqués étant placés sur les nœuds de la structure. Pour chaque pas de chargement horizontal appliqué, les efforts dans chaque composant de la structure sont déterminés. Il en est déduit les contraintes et les déformations pour chaque élément à partir des lois de comportement des matériaux. Ces valeurs sont ensuite comparées aux critères de rupture en déformations des matériaux utilisés. Pour le béton, la loi de Sargin est utilisée avec notamment une résistance de béton égale à 30 MPa. L acier est considéré comme un matériau élasto-plastique parfait de limite élastique égale à 500 MPa et de module pris égal à 210 GPa. Le renfort composite est élastique à rupture avec une résistance ultime de 1400 MPa et un module d Young de 105 GPa. Pour chaque matériau, lorsque la limite élastique est atteinte dans les éléments, ceux-ci ne participent pratiquement plus à la rigidité de

9 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai l ensemble car le module est considéré comme proche de zéro. Cette démarche a été appliquée pour l ensemble des éléments filaires et pour l ensemble des matériaux. Cette méthode permet donc de considérer le comportement non linéaire de la structure issu de la plasticité des armatures métalliques et du comportement non linéaire du béton en compression. Afin de comparer les solutions composites, les paramètres du modèle ont été calés sur les essais menés sur les voiles béton armé standards non renforcés. La courbe de la Figure 10 montre le calage des paramètres géométriques. Figure 10. Calage des paramètres du modèle des murs courts La Figure 11 montre le résultat du modèle bielles-tirants appliqué sur un voile béton armé court renforcé par matériaux composites. La réponse du modèle retrace relativement bien le comportement général du voile renforcé. Il s avère que les modes de rupture spécifiques aux renforcements composites doivent impérativement être pris en compte pour garantir une réponse cohérente du modèle. La courbe verte considère ainsi le phénomène de décollement des bandes composites au niveau du support béton. On peut noter qu avec le modèle, la contrainte maximale obtenue dans les composites est proche de 316 MPa, soit une valeur relativement proche de celle obtenue dans l expérience.

10 31 èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai Figure 11. Réponse du modèle bielles-tirants d un voile court renforcé 5. Conclusion L étude confirme donc l intérêt des renforts composites dans le cas d un renforcement de structures béton armé dans le cas des voiles courts soumis à des sollicitations cycliques alternées. Elle montre qu il est possible d augmenter de 22% l effort à rupture tout en garantissant une augmentation des déplacements autorisés de l ordre de 35%. Le modèle 2D de type Bielles-Tirants mis en place permet de prédire d une façon correcte (différence de l ordre de 15%) le comportement de voiles béton armé renforcés par matériaux composites. Néanmoins, il reste nécessaire de prendre en compte des effets locaux permettant une corrélation plus précise entre le modèle et l expérience. Cette démarche doit également être complétée par une étude paramétrique sur les différents composites pouvant être utilisés. 6. Bibliographie [GRE 05] Greifenhagen C., Lestuzzi P. «Static-cyclic tests on low reinforced concrete shear walls», J. Engineering Structures, 2005, vol. 27, n 11, p [PAR 07] Park, H., and Eom, T. «Truss Model for Nonlinear Analysis of RC Members Subject to Cyclic Loading», Journal of Structural Engineering, ASCE, 2007, vol. 133, n 10, p [RAN 98] Ranzo, G., and Petrangeli, M. «A Fibre Finite Beam Element with Section Shear Modelling for Seismic Analysis of RC Structures», Journal of Earthquake Engineering, 1998, vol. 3, n 2, p [GHO 99] Ghobarah, A., and Youssef, M. «Modelling of Reinforced Concrete Structural Walls», Engineering Structures, 1999, vol. 21, n 10, p