Résistance au feu de structures en béton: matériaux avancés et béton durable

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1 Résistance au feu de structures en béton: matériaux avancés et béton durable Mark F. Green Queen s University at Kingston Auteurs: John Gales Tom Parker Hamze Hajiloo Martin Noël Duncan Cree Luke Bisby 1

2 Plan Matériaux avancés Définition Essais à des températures élevées Béton durable Essais mécaniques Essais sur dallettes soumis à une température élevée Analyse après chauffage Conclusion barres de polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) Confection des éprouvettes cubiques et dallettes 2

3 Importance de cette étude Besoin croissant de protection contre les incendies Les applications des barres d armature de polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) augmentent Les barres de PRFV sont affectées par les températures élevées L approvisionnement des Baku, Azerbaijan, le 19 mai 2015 granulats recyclés a un impact environnemental: Gaz à effet de serre Epuisement des carrières Energivore Incertitude de la résistance au feu des strucutres en béton de granulats de béton recyclé 3

4 Exemples de PRF Barre de PRF de verre unidirectionnel Tendon de PRF de carbone (précontrainte) Grille de PRF de aramide Mèches de fibres de verre Mèches de fibres de carbone Fibres à haute résistance dans une matrice de polymère 4

5 PRF Recherche Objectif: Quantifier la détérioration de la résistance de barres de PRFV à des températures élevées Méthodologie: 1. Condition de température constante L'armature est chauffée jusqu'à une température spécifiée, puis l échantillon chauffé est soumis à une charge croissante jusqu à la charge de rupture. 2. Condition de température transitoire L'armature est soumise à différents niveaux de charge initiale avant l augmentation de température. 5

6 Protocole Barre Température constante ( C) Température transitoire (kn) A B C

7 Essai de traction 7

8 Charge de rupture (kn) Charge normalisée Mesure de la résistance à température constante (barre A) , ,6 50 % de la charge ultime 150 0, % de la charge ultime 50 0,2 0 Température ( C)

9 Mesure de la résistance à température constante (barre B) Charge de rupture (kn) Charge normalisée , % de la charge ultime 0, , % de la charge ultime 0,2 0 Température ( C)

10 Faciès de rupture 10

11 Essais au feu Dalles placées sur le four Coffrages de dalles Chargement uniformément réparti sur les dalles

12 Température ( C) Résultats d essais au feu: évolution de températures ASTM-E119 PT-C3-60mm PT-C7-180mm Temps (min)

13 Béton durable: Essais à des températures élevées 13

14 Granulats de béton recyclé Recherche effectuée sur des bétons de structure confectionnés au laboratoire Granulats issus d un béton C40/50 de dalle (partie de dalle non chauffée). Tamisage Taille maximale des grains de 10 mm - Teneur en eau <4%. Combinaison de granulats siliceux et calcaires 14

15 Fabrication du béton Trois compositions de béton: Même type de ciment, granulats et eau. Variation des granulats en fonction de la composition: 100% calcaire; 100 recyclés et 30% de granulats recyclés et 70% de granulats calcaires. Fabrication des bétons conformément aux normes CSA. Deux formes d éprouvettes: Eprouvettes cubiques 100 x 100 x 100 mm 3. Dallettes de 500 x 200 x 50 mm². Conservation plus de 6 mois. Nombre d éprouvettes limité compte tenu du volume du malaxeur. 15

16 Essais mécaniques à haute température Essais sur éprouvettes cubiques Résistance à la compression : 20 C et 500 C. 2 éprouvettes par cycle de chauffage et composition de béton. Vitesse de déplacement: 0.5mm/min. Vitesse de chauffage 2 C/min avec un palier de 2 heures Essais sur éprouvettes cubiques réalisés à Queen s University Presse mécanique Instron 600LX équipée d un dispositif de chauffage 16

17 Essais mécaniques à haute température Eprouvette recouverte de peinture (noir moucheté de blanc). Mesure de la déformation par correlation d images Mesures à des fréquences de 1 Hz (Gales et al. 2012) Utilisation du logiciel GeoPIV8 pour le traitement d images, précision de 0.1px. Utilisation de Canon EOS 5D mark III pour la corrélation d images. 17

18 Compressive stress (MPa) Résistance à la compression % RCA at 20 C 0% RCA at 500 C 30% RCA at 20 C 30% RCA at 500 C 100% RCA at 20 C 100% RCA at 500 C Compressive strain (px/px) Essai de compression Essais sur éprouvettes cubiques Arrêt des essais lorsque la charge critique est atteinte. Fissurations observées le long des bords des éprouvettes cubiques. Gain de résistance des bétons de granulats recyclés observé à la température ambiante. Perte de résistance des bétons de granulats recyclés à la température de 500 C (25% comme Eurocode) 18

19 Comportement thermique Essais sur dallettes 2 Dallettes par composition de béton. Chauffage en 1 heure. Mesure de température et déplacement. Dallettes non chargées. Dallettes chauffées à l université de Edinburgh Dispositif H-tris avec une méthode de calibration. 19

20 Temperature (ºC) Température RCA 0% Test 1_Exposed Soffit RCA 0% Test 2_Exposed Soffit RCA 30% Test 1_Exposed Soffit RCA 30% Test 2_Exposed Soffit RCA 100% Test 1_Exposed Soffit RCA 100% Tes t 2_Expos ed Soffit Time (mins) Mesure de la température sous face Flux de chaleur constant Flux constant de 65 kw/m². Chauffage équivalent au feu ASTM E119 sur une surface. Comparaison du gradient thermique. Données d entrée pour la simulation numérique. 20

21 Temperature (ºC) Comparaison du gradient thermique RCA 30% Test 1_Exposed Soffit RCA 30% Test 1_Unexposed surface RCA 30% Test 1_Thermal gradient RCA 30% Test 2_Exposed Soffit RCA 30% Test 2_Unexposed surface RCA 30% Test 2_Thermal gradient Time (mins) Evolution des températures des deux dallettes contenant 30% de granulats recyclés Gradient thermique Différence entre la température de surface et sous face. 21

22 Temperature (ºC) Résultats sur dallettes RCA 100% Tes t 2_Thermal gradient RCA 100% Test 1_Thermal gradient RCA 30% Test 2_Thermal gradient RCA 30% Test 1_Thermal gradient RCA 0% Tes t 2_Thermal gradient RCA 0% Test 1_Thermal gradient Time (mins) Comparaison du gradient thermique pour les différentes dallettes Baisse du gradient thermique après la fin du palier d humidité. Fortes fissurations et quelques écaillages observés sur 30% des dallettes. Faible différence de gradient thermique. Faibles différences du gradient thermique montrant l addition des granulats recyclés est négligeable. 22

23 Après chauffage - MEB Echantillons de dallettes et d éprouvettes cubiques analysés au laboratoire QFIR du département de géologie (Queen s University). Echantillons coupés avec une lame en diamant. Controle des échantillons après découpe. Echantillons pris dans des zones montrant l interface du mortier recyclé et du nouveau mortier. Analyse chimique pour identifier les zones effritées. 23

24 MEB Micro - fissures observées sur les éprouvettes cubiques après chauffage à l interface du mortier issu du recyclage et le nouveau mortier. Ces fissures s observent aussi sur les essais sur dallettes au niveau de la face chauffée. 24

25 Conclusion Matériaux avancés: barres de PRF de verre Les deux barres d'armature (type A et B) ont maintenu une résistance considérable à des températures élevées. La résistance à la traction des barres de type A diminue régulièrement avec l augmentation de la température. Pour des températures supérieures à 350 C, la résistance des barres de type B diminue considérablement. Béton durable: Granulats de béton recyclé Les valeurs de l'eurocode actuel pour l'isotherme critique de 500 º C sur la baisse de résistance pourraient être respectées en utilisant les granulats recyclés dans des bétons durables. Les essais réalisés sur dallettes montrent un effet négligeable de l addition des granulats recyclés sur le comportement thermique. Diverses études sont identifiées afin de mieux comprendre le béton durable de granulats recyclés et son utilisation.

26 Remerciements: The Ove Arup Foundation Technical assistance from: Dr. A Take, Dr. A Dobosz JP Hidalgo-Medina, C Maluk, and Z Triantafyllidis; Université de Sherbrooke (B. Benmokrane, H. Mohamed, personnel technique) Conseil national de recherches du Canada (M. Sultan, N. Benichou, H. Mostafaei, personnel technique) Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC): Discovery, Fellowship, CRD and CREATE programs. The Ove Arup Foundation, Ove Arup and Partners Limited, the Royal Academy of Engineering, and the Leverhulme Trust MITACS Canada, Ministère des Transports de l Ontario (MTO), Pultrall Inc., BP Composites Ltd. 26

27 Questions? Contact: Mark Green 27

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