Poutres préfléchies avec talon en BTHP

Poutres préfléchies avec talon en BTHP François Toutlemonde, LCPC Stéphanie Staquet, LCPC, Université Libre de Bruxelles Ludovic Lauvin, Jean-Claude Renaud, Stéphane Dubroca, LCPC LCPC - Plate-forme d'essai des Structures Avec la contribution de la division BCC et du service MI Dans le cadre d'une action du Projet National MIKTI avec le soutien de la DRAST (RGCU) François TOUTLEMONDE Page 1/26

PLAN Contexte et Objectifs Expérimentation réalisée Mesures spécifiques et données pour l'analyse Principales conclusions et perspectives François TOUTLEMONDE Page 2/26

PRINCIPE DE LA PREFLEXION Procédé industriel par phases Phase a : contreflèche en usine (aciériste) Phases b à d : constitution de la poutre préfléchie (savoir-faire spécialisé usine de préfabrication) Phase e : utilisation sur site Caractéristiques Excellent rapport rigidité / hauteur Avantages d'un composant préfabriqué (contrôle qualité) rigide (manutention) pour réalisation rapide sur site Coût assez élevé (mais plus efficace que poutrelles enrobées) Bon retour d'expérience SNCB a b c d e François TOUTLEMONDE Page 3/26

ENJEUX DE LA RECHERCHE Limites actuelles Justification de la technique ancienne (essais 1950 à 1960) pas à jour sur le problème du fluage Hypothèses de dimensionnement à expliciter Retour d'expérience peu quantifié Béton du talon limité à C50/60 ferme et fortement vibré Fréquente nécessité d'adjoindre des câbles (complexité accrue) Intérêt d'une optimisation avec talon BTHP Gain potentiel sur le fluage et la légèreté (efficacité du procédé) Possibilité d'espacer transversalement les poutres Gain potentiel de durabilité Possibilité d'optimisation des méthodes (béton fluide) François TOUTLEMONDE Page 4/26

OBJECTIFS DE L'EXPÉRIMENTATION Démonstration de faisabilité vis-à-vis du contexte d'application potentielle français (SNCF, préflexion sans précontrainte, BTHP) Démonstration d'un fonctionnement maîtrisé durabilité en fatigue dans des hypothèses de dimensionnement réalistes limite de fissuration du talon (ELS) et rupture par le profilé (ELU) prévisibles Validation de la méthode de dimensionnement possibilité de prise en compte scientifique du fluage (notamment jeune âge) validation de méthodes simplifiées (coeff. d'équivalence) et limites François TOUTLEMONDE Page 5/26

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EXPÉRIMENTATION RÉALISÉE Deux poutres "réalistes" (répétabilité) profilé 13 m - talon béton 12 m - portée utile 11 m Programme de chargement "complet" contreflèche / préflexion / coulage à plat / relâchement à 2 jours évolution sous poids propre (2 mois) évolution sous charges permanentes équiv. hourdis + superstructures (2 mois) évolution sous ch. Perm. + variables (effets du trafic : ch. Rares + fatigue) essai à rupture pour situer ELS - ELU Critères de dimensionnement initiaux compression béton < 0,6 fcj (2 jours) au relâchement traction béton < 0,7 ftj (ELS rare) et non décompression (fatigue / ELS fréquent) François TOUTLEMONDE Page 7/26

Section des poutres Profilé HEB 360 en acier S355 Talon BTHP FS C80/95 Environ 5 cm autour de la semelle inf. Cadres traversant l'âme tous les 15 cm Butées de cisaillement soudées tous les 45 cm Schéma de chargement Essai à rupture Intègre les charges permanentes Vérins à l'emplacement des charges de la préflexion Essai à rupture de P2 (22/11/2005 : J246 après coulage) François TOUTLEMONDE Page 8/26

ÉLASTIFICATION ET PRÉFLEXION Atteinte de 70% de fy Puis bridage en position horizontale En vue du bétonnage Perte de contreflèche 25 mm sur 104 mm 250000 Effort au vérin (N) Elastification du profilé P2 200000 150000 100000 50000 Calcul élastique Mise en charge 1 Mise en charge 2 Mise en charge 3 Mise en charge 4 Mise en charge 5 Variation de flèche (mm) 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 François TOUTLEMONDE Page 9/26

COULAGE Béton autoplaçant nécessaire Dmax 12,5 mm 4 gâchées Procédure simplifiée Tenir compte de l'écoulement 3D (butées, encombrement des capteurs) François TOUTLEMONDE Page 10/26

RELÂCHEMENT PRÉFLEXION Décoffrage à 24 h et équipement de jauges et capteurs Effort de préflexion récupéré par les vérins, débridage puis relâchement entre 45 et 48 h Reprise instantanée de contreflèche 59 mm 19,00 18,00 17,00 16,00 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 Contraintemètre et simulation Compression théorique maxi béton env. 23 MPa 0,00 (ici 18 MPa fibre +25 mm) Contrainte (MPa) simulation p1 et p2 pression 1 ajustée (t-2) (jour) 0 4 8 12 16 20 François TOUTLEMONDE Page 11/26

CHARGES PERMANENTES Gueuses en plomb 4kN/ml Décompression 3,3 MPa en fibre inf 10 Flèche (mm) Poutre P1 Variation de flèche + 5 mm instantané Très faibles variations ensuite (béton vieux de 56 jours) 0 (t-2) en jour 0 10 20 30 40 50 60 70 80-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80 Flèche mi-portée François TOUTLEMONDE Page 12/26

Charges permanentes + Fatigue 1000 cycles rares traction maxi 4,2 MPa (0,8 ft) 1 ou 2 millions de cycles traction maxi 1,1 MPa Variation de contrainte Proche effet 1/2 convoi UIC Schéma de chargement Vérin centré, portée centrale env. 3,5 m P1 préalablement fissurée François TOUTLEMONDE Page 13/26

ESSAI A RUPTURE ELS = fissuration du talon Traction moyenne : 5 MPa (initiation) à 10 MPa (réseau de fissures stabilisé) Palier "ELU de calcul" 60 % plastification ou 75 % du déversement théorique (profilé seul) Rupture finale Epuisement particip. béton Plastification semelle inf. Déversement / torsion au centre (instabilité) 50 Répétabilité Fmax : 386 et 25 388 kn 0 400 375 350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 Effort (kn) Peson X=12m temps (h) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 François TOUTLEMONDE Page 14/26

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MESURES SPÉCIFIQUES ET DONNÉES POUR L'ANALYSE But = validation de la méthode de calcul nécessite données précises sur le comportement différé du matériau (essais "standard" et dans la structure) Ensemble unique de données résistance - module - retrait - fluage - déformations thermiques et de séchage Des mesures originales pour le suivi structurel contraintemètres - suivi dynamique - flèches et déformations de plusieurs sections François TOUTLEMONDE Page 16/26

OPTIMISATION BETON Essais de convenance sur éléments de 2 m Simulés par ordinateur (écoul t fluide Bingham) Met en évidence la nécessité d'un BAP avec seuil < 60 Pa COMPROMIS rhéologie / résistance Essai "box" pour mesure du seuil Montée en résistance liée à la conservation 140 120 100 80 60 40 20 0 1 10 100 1000 âg e ( jo urs) 11-22 piscine 11-22 50% 11-22 40% 16-32 piscine 16-32 50% François TOUTLEMONDE Page 17/26

CARACTÉRISATION BTHP JEUNE ÂGE Retrait endogène isotherme et histoire thermique réaliste + essai QAB Pour détermination retrait intrinsèque dès la prise Procédure originale -20-40 -60-80 -100-120 -140-160 Retrait endogène -180 Moins de 180 µm/m env. 100 µm/m à 48 h -200 Strain (µm/m) 0 τ0 = 14 h Ea/R = 3980 K t 0i = 13,8 h t 0r = 12,6 h R1 I2 R2 I1 Real 1 Real 2 Isotherm 1 Isotherm 2 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 768 816 864 912 960 Equivalent age (h) François TOUTLEMONDE Page 18/26

COMPORTEMENT DIFFÉRÉ Conditions thermiques et hydriques variables (id. poutres) et conditions standard Déformation de fluage (µm/m) 1800 Eprouvette exposée au séchage à un jour sur la dalle d'essai 1600 1400 SÉQUENCE CHARGE / DÉCHARGE À confronter aux contraintes dans la poutre 1200 1000 800 600 400 Mesures dalle d'essai 200 (t-2) en jour 0 0 20 40 60 80 100 120 François TOUTLEMONDE Page 19/26

CONTRAINTEMÈTRE Prototype miniaturisé (diamètre 30 mm) sur une idée de Duchêne Mesures indépendantes contrainte - déformation Points délicats : asservissement et mesure en continu Résultats cohérents Contrainte proche du calcul Mais Incertitude positionnement Fluctuations diurnes Précision 1 MPa env. 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Contrainte (MPa) pression 1 simulation p1 pression 1 ajustée (t-2) (jour) 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 François TOUTLEMONDE Page 20/26

MESURES DES DÉFORMATIONS Contribution de moyens complémentaires : Flèches, extenso. CV, extenso. LVDT, jauges Fonctionnement longitudinal et transversal + température et HR Dépouillement complet en cours Pour validation du fonctionnement en section mixte François TOUTLEMONDE Page 21/26

SUIVI DYNAMIQUE Réponse d'accéléromètres répartis à une excitation impulsionnelle Recherche évolution fréquence modes I et II En phase fatigue Et chargement à rupture Évolution 1 ère fréquence Variations non significatives par rapport à l'incertitude de détermination Y compris post ELS (fissures refermées) Frequency (Hz) 6.3 5.8 5 % 5.3 4.8 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 Number of days P1 P2 scale % upper bound lower bound François TOUTLEMONDE Page 22/26

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PRINCIPALES CONCLUSIONS (1) Faisabilité de l'optimisation avec BTHP Possibilité démontrée Optimisation rhéologique BTHP à affiner en fonction des méthodes Fluage divisé par 2 par rapport au C50/60 actuellement employé Évolution différée des flèches très faible au-delà de 6 à 8 semaines Sécurité du dimensionnement Évolutions de rigidité négligeables en fatigue et sous charges rares répétées pourvu qu'on n'atteigne pas ftj (classe II) Importante capacité de refermeture des fissures (mais suivi dynamique peu efficace) Réserve de 15% fournie par le talon béton vis-à-vis de l'elu déversement du profilé (bonne répétabilité) François TOUTLEMONDE Page 24/26

PRINCIPALES CONCLUSIONS (2) ELS dimensionnant et conséquences - limitation de la compression du béton au relâchement de la préflexion : l'optimisation - favorable au BTHP - exige une connaissance précise du comportement au jeune âge (montée en résistance, module, fluage au jeune âge, effet de la température, compromis avec le retrait) - maîtrise de la fissuration (limitation des tractions) : l'optimisation - favorable au BTHP - exige une connaissance précise de la résistance en traction (in situ, en fonction de l'environnement et de la cure) et des contraintes réelles (donc méthode de prise en compte précise du comportement différé, du séchage de la section, etc.) François TOUTLEMONDE Page 25/26

PERSPECTIVES Capacité prédictive des méthodes de calcul et précision Sur la base du dépouillement complet des mesures, quantification de la précision des méthodes scientifiques complètes ou approchées (coefficients d'équivalence, modèles ajustés ou forfaitaires pour le fluage) Méthodologie de conception Sur la base des méthodes de calcul validées et des constats réalisés, rédaction d'un guide de conception (justification en cohérence avec l'ec4, points particuliers d'optimisation béton) Application? Intérêt SNCF confirmé, mais cadre favorable du PN MIKTI pas éternel François TOUTLEMONDE Page 26/26