these de doctorat

Universit de Reims Champagne Ardenne

Ecole doctorale Sciences Technologies Sant

Thse de DOCTORAT Spcialit Gnie Civil

Prsente par Loubna BOUAZAOUI

CONTRIBUTION A LETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE STRUCTURES MIXTES ACIER-BETON ASSEMBLEES PAR COLLAGE

Thse dirige par : Alex LI Yves DELMAS Professeur, Universit de Reims Champagne Ardenne Professeur, Universit de Reims Champagne Ardenne

Soutenue publiquement lUniversit de Reims Champagne Ardenne Le 21/10/2005

Devant le jury : Alain BASCOUL Henri BRESSIEUX Franois BUYLE-BODIN Richard CABRILLAC Yves DELMAS Louis DEMILECAMPS Bruno JURKIEWIEZ Alex LI Gilles PERRENOT Professeur, Universit Paul Sabatier de Toulouse III, rapporteur Universit Robert Schuman de Strasbourg, membre invit Professeur, Chef de la Mission Gnie Civil de la DRAST Professeur, Universit de Cergy-Pontoise, rapporteur Professeur, Universit de Reims Champagne Ardenne Directeur Technique de GTM CONSTRUCTION, membre invit Matre de Confrences, Universit Lyon 1 Professeur, Universit de Reims Champagne Ardenne Matre de Confrences, Universit de Reims Champagne Ardenne

A mes parents

RemerciementsLe travail prsent dans cette thse a t ralis au sein du Groupe Mcanique, Matriaux et Structures (GMMS) lUniversit de Reims Champagne Ardenne, sous la direction de Monsieur le professeur Yves DELMAS. Au terme de cette recherche, il mest trs agrable dexprimer toute ma gratitude, ma reconnaissance et mes trs vifs remerciements tous ceux qui ont contribu de prs ou de loin llaboration de ce travail de thse. Je remercie tout d'abord Monsieur Yves DELMAS de m'avoir propos ce sujet de thse, de l'attention qu'il a porte mon travail et des moments prcieux de discussion quil ma rserves. Je le remercie infiniment pour sa confiance, ses prcieux conseils, sa disponibilit et sa gentillesse. Je voudrais exprimer toute ma reconnaissance Monsieur Alex LI, Professeur lUniversit de Reims Champagne Ardenne, pour toute laide quil ma apporte dans la ralisation des essais et sa disponibilit tout au long de ma thse. Jexprime mes sincres remerciements Monsieur Gilles PERRENOT, Matre de confrences lUniversit de Reims Champagne Ardenne, qui tout au long de ces annes m'a toujours encourag et conseill. Je le remercie galement pour toutes les discussions, suggestions et ses prcieux conseils. Je noublierais jamais son aide, sa sympathie et sa bonne humeur lors de la ralisation des essais. Je tiens remercier M. Ying Qiao GUO, Directeur du Groupe de Mcanique, Matriaux et Structures, de mavoir accueilli dans son laboratoire. Je tiens aussi remercier les membres de mon jury de thse, d'avoir accept de sintresser ce travail. Mes sincres remerciements sadressent : M. Franois BUYLE-BODIN, Professeur lUniversit des Sciences et Technologies de Lille1 et Chef de la Mission Gnie Civil de la DRAST, pour lhonneur quil ma fait en acceptant de prsider le jury de cette thse M. Richard CABRILLAC, Professeur lUniversit de Cergy-Pontoise, d'avoir bien voulu rapporter ce travail. Je tiens galement lui tmoigner toute ma gratitude pour la pertinence de ses remarques. M. Alain BASCOUL, Professeur lUniversit Paul Sabatier de Toulouse III, de bien vouloir tre rapporteur de cette thse, pour ses remarques et ses discussions intressantes. M. Bruno JURKIEWIEZ, Matre de confrence lUniversit de Lyon 1, pour le temps quil ma accord en acceptant dexaminer ce travail, pour son aide, sa collaboration et sa sympathie pendant mon sjour strasbourg. Quil trouve ici lexpression de mes sincres remerciements.

M. Henri BRESSIEUX, Professeur de lUniversit Robert Schuman de Strasbourg, pour ses remarques, ses conseils scientifiques avertis et son aide pour la ralisation de lessai sur la grande poutre Strasbourg. M. Louis DEMILECAMPS, responsable du thme 2 conception et ralisation de dalles de ponts mixtes du projet national MIKTI sur les ponts et les passerelles mixtes de demain , Pour ses conseils, lintrt quil a toujours montr pour ce travail et lhonneur quil ma fait en participant au jury de ma thse. Mes remerciement sadressent aussi lensemble du personnel technique du dpartement gnie civil, de gnie mcanique et du service gnral de lIUT, pour leur aimable et efficace contribution et tout spcialement Messieurs P. JUPILLAT et J. M. LOINTIER, Techniciens au Dpartement Gnie Civil. Je souhaiterais galement remercier lensemble du personnel du dpartement Gnie Civil de lIUT de Robert Schuman de Strasbourg pour leur collaboration et leur gentillesse. Paralllement mon travail de thse, j'ai dcouvert le plaisir d'enseigner. Je remercie les Responsables d'enseignement qui m'ont fait confiance, et tout particulirement M. Jean pierre TROALEN de mavoir communiqu des remarques utiles et prcises. Je ne saurais oublier tous mes collgues et mes amis, pour leur ambiance agrable dans laquelle sest droul ce travail, leur sympathie et leur soutien durant toutes ces annes de recherche. Je cite C. DIAGANA, A. GACOIN, F. FOUCHAL, G. Z. ZHAO, Y. LI, C. DEBRE, A. SAFFIH, X. CHIEMENTIIN, F. BOLAERS, B. ABBES, N. EL WAKIL, Z. GUESSOUM, A. TURKI, N. RAILAINIRINA, H. ZAIDI, A. BRIZINI, N. FACI, L. SEDDIKI. F. Z. KENTAOUI, A. IBRAHIMA,... Je ne saurais citer tous les noms, que chacun trouve ici ma profonde gratitude. Je remercie mon fianc Eddy EL TABACH de mavoir soutenu tout au long de ma thse et de mavoir prodigu des encouragements rpts. Je nai jamais eu loccasion de remercier mes parents pour tout ce quils ont fait pour moi, pour leurs encouragements, leurs sacrifices et leur amour. Merci pour tous. En fin, je remercie toute ma famille, mes frres et mes surs pour leur amour et tout le reste. MOHAMED, ZHOR, LAMIAE, KARIM, BADIA, MAHA, KHADIJA, SHAIMAE, ABDERAFIE, AYA, JAMAL, AYOUB, HICHAM, NABIL, RYME et MALIKA.

RsumCette tude porte sur lanalyse exprimentale et thorique du comportement mcanique des poutres mixtes acier bton assembles par un joint dadhsif. Dans un premier temps, nous avons tudi linfluence des principaux paramtres tels que le mode de construction de la dalle de compression, ltat de surface des substrats, la nature de ladhsif et lpaisseur irrgulire du joint dadhsif sur les performances mcaniques des poutres mixtes colles de 3.3 m de porte entre appuis. Linstrumentation de ces poutres par des jauges lectriques et des capteurs inductifs nous a permis de dterminer la rpartition des dformations dans les corps dpreuve ainsi que de mesurer le glissement et le soulvement relatifs de la dalle par rapport au profil mtallique. Dans un deuxime temps, nous avons ralis un test exprimental en flexion trois points sur une poutre mixte colle (8.5 m de porte entre appuis) dans le but danalyser le comportement mcanique de la structure colle en vraie grandeur. Nous montrons dans cette tude, quen utilisant un adhsif poxyde au comportement rigide comme lment dassemblage dans les poutres mixtes acier-bton et en appliquant un traitement de surface adquat par sablage des surfaces des deux substrats lacier et le bton, la liaison par collage peut assurer une connexion parfaite entre lacier et le bton sans aucun mouvement relatif linterface. Nous montrons galement que la dalle de compression peut tre ralise par plusieurs lments, en bton prfabriqu, colls bout bout. Et finalement, en comparant le comportement mcanique des poutres mixtes colles avec une paisseur irrgulire du joint dadhsif dans le sens transversal et longitudinal avec celui dune poutre mixte colle avec une paisseur de joint dadhsif rgulire, on peut tolrer une variation de lpaisseur du joint dadhsif dune amplitude de 2 mm dans le sens transversal et de 4 mm dans le sens longitudinal de la poutre. En conclusion, le collage peut se substituer aux connecteurs mtalliques et assurer la mixit recherche.

AbstractThis study concerns the experimental and theoretical analysis of the mechanical behaviour of the steel-concrete composite beams assembled with an adhesive joint. First, we studied the effect of the main parameters such as the construction method of the concrete slab, the surface state of the substrates, the adhesive nature and the irregular thickness of the adhesive joint on mechanical performances of the glued composite beams of 3.3 m of span between supports. The use of strain gauges and inductive sensors enabled us to characterize the strains distribution in these beams and to measure the relative displacements between concrete slab and steel girder. In the second time, we carried out a bending experimental test on a full-scale of glued composite beam, (8.5 m of span between supports) in order to analyze the mechanical behaviour of the full-scale glued structure. Using an epoxy adhesive with the rigid behaviour to bond concrete slab to steel girder and sanding the surfaces of the two substrates steel and concrete, we showed that the connection by bonding with adhesive can ensure a perfect connexion between steel and concrete without any displacement at the interface. We also showed that the concrete slab can be carried out by several precasted concrete elements glued together. Finally, the comparison beteween the mechanical behavior of the composite beams glued with an irregular thickness of the adhesive joint, in the transverse and longitudinal direction, and that of a composite beam glued with a regular thickness of adhesive joint, allowed us to tolerate a variation in the thickness of the adhesive joint of 2 mm in the transverse direction of the beam and of 4 mm in the longitudinal one. In conclusion, bonding can replace the metal connectors and allows to concrete slab and steel girder to act as unit alone.

Table des matiresINTRODUCTION GENERALE...................................................................................... 17 CHAPITRE I : POUTRES MIXTES ACIER-BETON ................................................. 23INTRODUCTION ......................................................................................................................................... 24 I.1 HISTORIQUE DES METHODES DE CALCUL DES POUTRES MIXTES.................................... 24 I.2. DIMENSIONNEMENT DES POUTRES MIXTES ............................................................................ 26 I.2.1. Etat Limite Ultime............................................................................................................................. 27 I.2.1.1 Concept de largeur effective ....................................................................................................... 27 I.2.1.2 Classification des sections .......................................................................................................... 28 I.2.2 Etat Limite de Service ........................................................................................................................ 29 I.3 CALCUL DES EFFORTS INTERIEURS............................................................................................. 30 I.3.1 Analyse lastique................................................................................................................................ 30 I.3.1.1 Coefficient dquivalence lastique............................................................................................ 30 I.3.1.2 Caractristiques des poutres mixtes............................................................................................ 31 I.3.1.3 Position du centre de gravit de la section mixte........................................................................ 32 I.3.1.4 Inertie de la section mixte........................................................................................................... 32 I.3.1.5 Calcul des contraintes................................................................................................................. 33 I.3.2 Analyse plastique ............................................................................................................................... 33 I.3.2.1 Coefficient dquivalence plastique............................................................................................ 34 I.3.2.2 Hypothses de calcul .................................................................................................................. 35 I.3.2.3 Cas dune section sous moment positif....................................................................................... 35 CONCLUSION.............................................................................................................................................. 37

CHAPITRE II : ASSEMBLAGE DES POUTRES MIXTES ACIER- BETON ......... 38INTRODUCTION ......................................................................................................................................... 39 II.1 POUTRES MIXTES ASSEMBLEES PAR DES CONNECTEURS METALLIQUES ................... 40 Introduction ................................................................................................................................................ 40 II.1.1 Evolution des connecteurs mtalliques ............................................................................................. 40 II.1.2 Classement des connecteurs.............................................................................................................. 43 II.1.3 Connexion totale et partielle ............................................................................................................. 44 II.1.4 Comportement des connecteurs ........................................................................................................ 45 II.1.4.1 Cisaillement............................................................................................................................... 46 II.1.4.2 Soulvement .............................................................................................................................. 48 II.1.5 Modes de rupture des poutres mixtes avec connecteurs.................................................................... 48 II.1.6. Calcul de la connexion ..................................................................................................................... 49 II.1.6.1 Rsistance de calcul des goujons tte ..................................................................................... 49 II.1.6.2 Calcul lastique de la connexion ............................................................................................... 50 II.1.6.3 Calcul plastique de la connexion............................................................................................... 51 Conclusion .................................................................................................................................................. 54 II.2 POUTRES MIXTES COLLEES........................................................................................................... 56 Introduction ................................................................................................................................................ 56 II.2.1 Comparaison entre lassemblage par goujons et lassemblage par collage....................................... 57 II.2.1.1 Aspect mcanique ..................................................................................................................... 57 II.2.1.2 Aspect dimensionnement .......................................................................................................... 59

II.2.1.3 Aspect conomique ................................................................................................................... 59 II.2.2 Etat de lart des essais sur les poutres mixtes colles........................................................................ 65 II.2.2.1 Essais New York ................................................................................................................. 65 II.2.2.2 Essais dArizona I ..................................................................................................................... 66 II.2.2.3 Essais dArizona II .................................................................................................................... 67 II.2.2.4 Essais de Lige .......................................................................................................................... 69 II.2.2.5 Essais ICOM ............................................................................................................................. 70 Conclusion .................................................................................................................................................. 72 II.3 PROPOSITION DUN MODELE EXPERIMENTAL REALISTE.................................................. 73

CHAPITRE III : PROCEDURE EXPERIMENTALE DESSAIS DE POUTRES MIXTES COLLEES DE 3.3 M DE PORTEE SOUMISES A DE LA FLEXION TROIS POINTS................................................................................................................. 75INTRODUCTION ......................................................................................................................................... 76 III.1 METHODE DE DIMENSIONNEMENT DES POUTRES............................................................... 77 III.1.1 Domaine lastique ........................................................................................................................... 77 III.1.2 Domaine plastique ........................................................................................................................... 77 III.2 DESCRIPTION DES CORPS DEPREUVE ..................................................................................... 79 III.2.1 Bipoutres P1 et P2 ........................................................................................................................... 80 III.2.2 Structures monopoutres P3 et P4 ..................................................................................................... 81 III.2.3 Structures monopoutres P5 et P6 ..................................................................................................... 82 III.3 CARACTERISATION DES MATERIAUX UTILISES ................................................................... 84 III.3.1 Bton................................................................................................................................................ 84 III.3.1.1 Composition du bton .............................................................................................................. 85 III.3.1.2 Caractristiques mcaniques du bton ..................................................................................... 85 III.3.2 Acier ................................................................................................................................................ 86 III.3.3 Adhsif............................................................................................................................................. 88 Introduction............................................................................................................................................ 88 III.3.3.1 Sikadur 30 ................................................................................................................................ 89 III.3.3.2 Sikaforce 7750 ......................................................................................................................... 90 III.4 TRAITEMENT DE SURFACE........................................................................................................... 90 Introduction ................................................................................................................................................ 90 III.4.1 Traitement de surface des poutres P1 et P2 ..................................................................................... 92 III.4.2 Traitement de surface des poutres P3, P4, P5 et P6 ......................................................................... 93 III.5 MESURES EXPERIMENTALES....................................................................................................... 93 III.5.1 Instrumentation des poutres dessais ............................................................................................... 94 III.5.1.1 Mesure de la flche .................................................................................................................. 94 III.5.1.2 Mesure des glissements relatifs de la dalle par rapport au profil............................................ 94 III.5.1.3 Mesure du soulvement ........................................................................................................... 95 III.5.1.4 Mesure des dformations dans lacier et le bton .................................................................... 95 III.5.2 Caractristiques des diffrents instruments de mesure .................................................................... 98

CHAPITRE IV : PRESENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS DES ESSAIS SUR LES POUTRES DE 3.3 M DE PORTEE ............................................................. 100INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 101 IV.1 INFLUENCE DE MODE DE CONSTRUCTION DE LA DALLE................................................ 102

Introduction .............................................................................................................................................. 102 IV.1.1 Modes et charges de ruine des poutres P1 et P2 ............................................................................ 102 IV.1.2 Flches et dformations mi-porte des poutres P1 et P2............................................................. 104 IV.1.3 Glissement des poutres P1 et P2.................................................................................................... 106 IV.1.4 Dformations des poutres P1 et P2................................................................................................ 108 IV.1.4.1 Courbes force/dformations................................................................................................... 108 IV.1.4.2 Distribution des dformations suivant la longueur des poutres P1 et P2 ............................... 112 IV.1.4.3 Rpartition des dformations sur la section des poutres P1 et P2 .......................................... 115 IV.1.4.4 Soulvement .......................................................................................................................... 116 Conclusion ................................................................................................................................................ 116 IV.2 INFLUENCE DE LA NATURE DE LADHESIF ........................................................................... 118 Introduction .............................................................................................................................................. 118 IV.2.1 Modes et charges de ruine des poutres P3 et P4 ............................................................................ 119 IV.2.2 Flches et dformations mi-porte des poutres P3 et P4............................................................. 120 IV.2.3 Glissement entre la dalle de bton et le profil mtallique des poutres P3 et P4........................... 122 IV.2.4 Dformations des poutres P3 et P4................................................................................................ 124 IV.2.4.1 Courbes force/dformations................................................................................................... 124 IV.2.4.2 Distribution des dformations suivant la longueur des poutres P3 et P4 ............................... 125 IV.2.4.3 Rpartition des dformations sur une section droite des poutres P3 et P4............................. 126 Conclusion ................................................................................................................................................ 128 IV.3 INFLUENCE DE LEPAISSEUR IRREGULIERE DU JOINT DADHESIF ............................. 129 Introduction .............................................................................................................................................. 129 IV.3.1 Modes et charges de ruine des poutres P5 et P6 ............................................................................ 129 IV.3.2 Flches et dformations mi-porte des poutres P5 et P6............................................................. 131 IV.3.3 Glissement relatif de la dalle par rapport au profil des poutres P5 et P6 ..................................... 133 IV.3.4 Dformations des poutres P5 et P6................................................................................................ 134 IV.3.4.1 Courbes force/dformations................................................................................................... 134 IV.3.4.2 Rpartition des dformations dans la section situe 480 mm du milieu des poutres P3, P5 et P6 ......................................................................................................................................................... 136 Conclusion ................................................................................................................................................ 138 IV.4 CONFRONTATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX A LA MODELISATION NUMERIQUE.............................................................................................................................................. 139 Introduction .............................................................................................................................................. 139 IV.4.1 Prsentation du modle.................................................................................................................. 139 IV.4.1.1 Symtrie................................................................................................................................. 139 IV.4.1.2 Gomtrie et maillage............................................................................................................ 139 IV.4.1.3 Conditions aux limites ........................................................................................................... 141 IV.4.1.4 Les hypothses....................................................................................................................... 141 IV.4.2 Comparaison des rsultats numriques et exprimentaux ............................................................. 142 Conclusion ................................................................................................................................................ 144 CONCLUSION SUR LES ESSAIS DES POUTRES DE PETITE PORTEE ........................................ 144

CHAPITRE V : ETUDE EXPERIMENTALE DUNE POUTRE MIXTE COLLEE EN VRAIE GRANDEUR................................................................................................ 146INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 147 V.1 DESCRIPTION DE LA POUTRE TESTEE ..................................................................................... 147 V.2 MATERIAUX UTILISES.................................................................................................................... 151 V.2.1 Bton............................................................................................................................................... 151 V.2.2 Acier ............................................................................................................................................... 151 V.2.3 Adhsif............................................................................................................................................ 152

V.3 TRAITEMENT DE SURFACE........................................................................................................... 152 V.4 INSTRUMENTATION DE LA POUTRE MIXTE COLLEE.......................................................... 152 V.4.1 Mesure de la flche ......................................................................................................................... 153 V.4.2 Mesure de glissement relatif de la dalle par rapport au profil mtallique ..................................... 153 V.4.3 Mesure du soulvement .................................................................................................................. 154 V.4.4 Mesure des dformations ................................................................................................................ 154 V.5 DISPOSITIF DE MISE EN CHARGE............................................................................................... 158 V.6 PROCEDURE DE CHARGEMENT .................................................................................................. 158 V.7 RESULTATS EXPERIMENTAUX.................................................................................................... 160 V.7.1 Ruine de la poutre P7...................................................................................................................... 160 V.7.2 Flche.............................................................................................................................................. 161 V.7.3 Glissement relatif de la dalle par rapport au profil mtallique de la poutre P7 ............................. 163 V.7.4 Soulvement.................................................................................................................................... 164 V.7.5 Dformations .................................................................................................................................. 165 V.7.5.1 Dformations dans la section centrale SC............................................................................... 165 V.7.5.2 Dformations dans les sections S1N et S1S............................................................................ 166 V.7.5.3 Dformations dans les sections S2N ....................................................................................... 167 V.7.5.4 Distribution des dformations le long de la poutre ................................................................. 168 V.7.5.5 Dformations transversales ..................................................................................................... 170 V.7.5.6 Rpartition des dformations dans la section droite S2N 720 mm du milieu de la poutre ... 171 CONCLUSION............................................................................................................................................ 171

CONCLUSION GENERALE......................................................................................... 173 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ...................................................................... 178 ANNEXE 1 ....................................................................................................................... 183 ANNEXE 2 ....................................................................................................................... 189 ANNEXE 3 ....................................................................................................................... 192

Liste des figuresFigure I.1- Concept de largeur effective........................................................................................................... 28 Figure I.2- Section droite de la poutre mixte acier-bton ................................................................................. 32 Figure I.3- Axe neutre plastique de la poutre mixte dans la dalle .................................................................... 36 Figure II.1- Connecteur, en forme dhlice, soud au profil en acier ............................................................. 40 Figure II.2- Connecteurs, en forme de crochet, souds sur la semelle suprieure du profil mtallique.................................................................................................................................... 41 Figure II.3- Butes ralises partir de profils divers .................................................................................... 41 Figure II.4- Connecteurs composs dune bute la base et renforcs par une barre dacier pour rsister au soulvement ............................................................................................................... 41 Figure II.5- Diffrents types de goujons souds sur la semelle suprieure du profil mtallique .................... 42 Figure II.6- Classification des connecteurs par rapport leurs comportements caractriss par le rapport glissement/charge applique [Rabih, 1994].................................................................... 44 Figure II.7- Diffrents efforts appliqus au connecteur dans une poutre mixte charge .................................. 45 Figure II.8- Principe de lessai Push-Out ......................................................................................................... 46 Figure II.9- Principe de lessai double Push-Out.............................................................................................. 47 Figure II.10- Principe de lessai Push-In .......................................................................................................... 47 Figure II.11- Moment rsistant rduitred ) M (pl, Rd en fonction du degr de connexion N/Nf ................................. 53

Figure II.12- Dimensions de la section de la poutre mixte de 9 m de long ...................................................... 58 Figure II.13- Essais prliminaires [Krieg, 1963]. ............................................................................................. 67 Figure II.14- Poutre mixte acier-bton colle par une largeur rduite essais dArizona II ......................... 68 Figure II.15- Essai Push-Out essai Lige ................................................................................................... 69 Figure II.16- Les trois possibilits dassembler les poutres mixtes acier-bton selon Hertig........................... 71 Figure II.17- Modle exprimental adopt ....................................................................................................... 73 Figure III.1- Axe neutre plastique .................................................................................................................... 79 Figure III.2- Section des bipoutres P1 et P2 ..................................................................................................... 80 Figure III.3-Vue longitudinale de la poutre P1................................................................................................. 81 Figure III.4-Vue longitudinale de la poutre P2................................................................................................. 81 Figure III.5- Section transversale des poutres P3 et P4 .................................................................................... 82 Figure III.6- Vue longitudinale des poutres P3 et P4 ...................................................................................... 82 Figure III.7- Section transversale de la poutre P5 ............................................................................................ 83 Figure III.8- Vue longitudinale de la poutre P5............................................................................................... 83 Figure III.9- Section transversale de la poutre P6 ............................................................................................ 83 Figure III.10- Vue longitudinale de la poutre P6.............................................................................................. 84 Figure III.11- Courbe contrainte-dformation dune prouvette en acier dcoupe dans lme ...................... 87

Figure III.12- Courbe contrainte-dformation dune prouvette en acier dcoupe dans la semelle suprieure de lIPE...................................................................................................................... 87 Figure III.13- Position du point de mesure de la flche (P1 P6).................................................................... 94 Figure III.14- Position des comparateurs de glissement pour la poutre mixte P1 ............................................ 95 Figure III.15- Position des capteurs de glissement pour les poutres mixtes P3 P6........................................ 95 Figure III.16- Position des points de mesure du soulvement de la poutre P1 ................................................. 95 Figure III.17- Position des jauges de dformations de la poutre P1 ................................................................. 96 Figure III.18- Position des jauges de dformations de la poutre P2 ................................................................. 97 Figure III.19- Position des jauges de dformations des poutres P3 P6 .......................................................... 97 Figure III.20- Bti de chargement en flexion trois points des poutres.............................................................. 98 Figure III.21- Position transversale de la charge des poutres mixtes colles P1 P6 ...................................... 99 Figure IV.1- Flches maximales des poutres P1 et P2 compares la flche thorique ................................ 105 Figure IV.2- Dformations mi-porte des poutres P1 et P2 compares aux dformations thoriques......... 105 Figure IV.3- Position des comparateurs de glissement pour la poutre mixte P1 ............................................ 106 Figure IV.4- Position des capteurs de glissement pour les poutres mixtes P2 P6........................................ 106 Figure IV.5- Comparaison de la distribution du glissement suivant la longueur pour les poutres P1 et P2 avec une force de 150 kN..................................................................................................... 107 Figure IV.6- Comparaison du glissement 100 mm du milieu pour les poutres P1 et P2 ............................. 107 Figure IV.7- Emplacement des jauges de dformations sur la poutre P1 ....................................................... 109 Figure IV.8- Noms des dallettes qui constituent la dalle de la poutre P1 ....................................................... 109 Figure IV.9- Dformations des armatures longitudinales en fonction de la force applique (P1).................. 110 Figure IV.10- Dformations de la semelle suprieure de lIPE en fonction de la charge applique (P1)............................................................................................................................................ 110 Figure IV.11- Courbes force/dformations enregistres par les jauges longitudinales J7a, J7 et J8a............. 111 Figure IV.12- Emplacement des jauges sur les armatures longitudinales de la dalle (P2) ............................. 111 Figure IV.13- Dformations des armatures longitudinales en fonction de la force applique (P2)................ 111 Figure IV.14- Emplacement des jauges sur la semelle suprieure de lIPE (P2) ........................................... 112 Figure IV.15- Dformations de la semelle suprieure de lIPE en fonction de la charge applique (P2)............................................................................................................................................ 112 Figure IV.16 -Distribution des dformations suivant la longueur de la poutre P1 partir du milieu............. 113 Figure IV.17- Distribution des dformations suivant la longueur de la poutre P2 partir du milieu............. 114 Figure IV.18- Evolution des dformations suivant la hauteur sur les poutres P1 et P2.................................. 115 Figure IV.19- Position de laxe neutre des poutres P1 et P2 .......................................................................... 116 Figure IV.20- Flche maximale des poutres P3 et P4..................................................................................... 121 Figure IV.21- Dformations mi-porte des poutres P3 et P4....................................................................... 121 Figure IV.22- Points de mesure du glissement des poutres P3 et P4.............................................................. 123 Figure IV.23- Courbe charge/glissement, P3 ................................................................................................. 123 Figure IV.24- Courbe charge/glissement, P4 ................................................................................................. 123 Figure IV.25- Comparaison des glissements entre les poutres P3 et P4......................................................... 123

Figure IV.26- Position des jauges sous la semelle suprieure de lIPE des poutres P3 et P4......................... 124 Figure IV.27- Dformations de la semelle suprieure de lIPE des poutres P3 et P4..................................... 124 Figure IV.28- Distribution des dformations suivant la longueur de la poutre P3 partir du milieu............. 125 Figure IV.29- Distribution des dformations suivant la longueur de la poutre P4 partir du milieu............. 126 Figure IV.30- Rpartition des dformations suivant la hauteur 480 mm la section mdiane de la poutre P3 ................................................................................................................................... 127 Figure IV 31- Rpartition des dformations suivant la hauteur 480 mm de la section mdiane de la poutre P4 ................................................................................................................................... 127 Figure IV.32- Position de laxe neutre dans le domaine lastique des poutres P3 et P4 ................................ 128 Figure. IV.33- Flche maximale des poutres P3, P5 et P6 ............................................................................. 132 Figure IV.34- Dformations maximales sous la semelle infrieure de lIPE des poutres P3, P5 et P6 .......... 132 Figure IV.35- Glissement entre la dalle et la semelle suprieure de lIPE pour les poutres P3, P5 et P6 .............................................................................................................................................. 134 Figure IV.36- Positions des jauges sur les armatures longitudinales de la dalle ............................................ 135 Figure IV.37- Dformations des armatures longitudinales en fonction de la force applique........................ 135 Figure IV.38- Dformations de la semelle infrieure de lIPE en fonction de la charge applique ............... 136 Figure IV.39- Rpartition des dformations suivant la hauteur 480 mm la section mdiane de la poutre P3 ................................................................................................................................... 137 Figure IV.40 - Rpartition des dformations suivant la hauteur 480 mm la section mdiane de la poutre P5 ................................................................................................................................... 137 Figure IV.41 - Rpartition des dformations suivant la hauteur 480 mm la section mdiane de la poutre P6 ................................................................................................................................... 138 Figure IV.42- Section droite de la poutre modlise P3................................................................................. 140 Figure IV.43- Maillage de la poutre P3 .......................................................................................................... 140 Figure IV.44- Conditions aux limites ............................................................................................................. 141 Figure VI.45- Courbe dforme maximale-charge applique donne par un capteur plac au milieu de la poutre P3 .......................................................................................................................... 142 Figure VI.46- Courbe dformation maximale charge applique donne par une jauge colle sous la semelle suprieure de lIPE au milieu de la poutre P3.............................................................. 143 Figure VI.47- Distribution des dformations suivant la longueur de la semelle suprieure de lIPE de la poutre P3 ............................................................................................................................... 143 Figure VI.48- Rpartition des dformations sur une section droite 480 mm du milieu de la poutre P3 .............................................................................................................................................. 144 Figure V.1- Section transversale de la poutre P7 ........................................................................................... 148 Figure V.2-Vue longitudinale de la poutre P7................................................................................................ 148 Figure V.3- Profil Reconstitu Soud PRS de la poutre P7..................................................................... 150 Figure V.4- Position des points de mesure des flches de la poutre P7 (cotes en mm) .................................. 153 Figure V.5- Position des capteurs de glissement pour la poutre mixte P7 (Vue de dessus)............................ 153 Figure V.6- Position des points de mesure de soulvement de la poutre P7 (vue de dessus)......................... 154

Figure V.7- Position des points de mesure des dformations de la poutre P7................................................ 156 Figure V.8- Mode de chargement de la poutre mixte colle P7 ..................................................................... 159 Figure V.9- Force en fonction du temps de la poutre P7 ................................................................................ 159 Figure V.10- Courbes charges- flches de la poutre P7 ................................................................................. 162 Figure V.11- Courbes charges- flches de la poutre P7 ................................................................................. 162 Figure V.12- Position des capteurs pour mesurer le glissement (vue de dessus) ........................................... 163 Figure V.13- Glissement entre la dalle et la semelle suprieure du PRS pour la poutre P7 ........................... 163 Figure V.14- Comparaison des glissements enregistrs par les capteurs G1SE, G3SE, G5SE et G7SE de la poutre P7 ................................................................................................................ 164 Figure V.15- Position des points de mesure de soulvement de la poutre P7 (vue de dessus) ....................... 164 Figure V.16- Soulvement de la dalle par rapport au PRS en fonction de la charge applique sur la poutre P7 ................................................................................................................................... 165 Figure V.17- Dformations dans la section centrale SC................................................................................. 166 Figure V.18- Dformations dans les sections S1N et S1S.............................................................................. 167 Figure V.19- Dformations dans la section S2N ............................................................................................ 168 Figure V.20- Distribution des dformations sous la semelle suprieure du PRS suivant la longueur de la poutre P7 partir du milieu .............................................................................................. 169 Figure V.21- Distribution des dformations sous les armatures longitudinales en fonction de la longueur de la poutre P7 partir du milieu. .............................................................................. 169 Figure V.22- Rpartition des dformations suivant la largeur de la poutre P7 (lorigine est au milieu de la poutre) .............................................................................................................................. 170 Figure V.23- Diagramme de Navier de la section S2N .................................................................................. 171

Liste des tableauxTableau I.1- Caractristiques de la poutre mixte .............................................................................................. 31 Tableau II.1- Caractristiques des matriaux utiliss dans le calcul................................................................. 58 Tableau II.2- Comparaison du cot entre la liaison par goujons et la liaison par collage ................................ 61 Tableau II.3- Proportions des diffrents constituants de ladhsif utilis par Miklofsky ................................. 65 Tableau II.4- Formulation de ladhsif utilis par Miklofsky........................................................................... 66 Tableau II.5-Valeurs de calcul des contraintes de cisaillement des trois types de liaison................................ 72 Tableau III.1- Dimensions des poutres............................................................................................................. 84 Tableau III.2- Composition du bton ............................................................................................................... 85 Tableau III.3- Caractristiques mcaniques du bton utilis ............................................................................ 86 Tableau III.4- Dure pratique dutilisation (D.P.U) sur le kit de 1.2 kg........................................................... 89 Tableau IV.1- Comparaison entre les charges ultimes exprimentales Fue et thoriques Fut des poutres P1 et P2 ........................................................................................................................ 104 Tableau IV.2- Comparaison entre les charges ultimes exprimentales Fue et thoriques Fut des poutres P3 et P4 ........................................................................................................................ 120 Tableau IV.3- Comparaison entre les charges ultimes exprimentales Fue et thoriques Fut des poutres P3, P5 et P6 .................................................................................................................. 131 Tableau V.1- Caractristiques mcaniques du bton utilis ........................................................................... 151

Liste des photosPhoto III.1- Surface dacier ponce.................................................................................................................. 92 Photo III.2-Surface du bton ponce ................................................................................................................ 92 Photo III.3- Surface du bton sable ................................................................................................................ 93 Photo III.4- Surface dacier sable ................................................................................................................... 93 Photo IV.1- Modes de rupture des deux poutres P1 et P2 .............................................................................. 103 Photo IV.2- Fissures dans la dalle de la poutre P2 ......................................................................................... 103 Photo IV.3- Modes de rupture des deux poutres P3 et P4 .............................................................................. 119 Photo IV.4- Surface de lacier aprs la rupture des deux poutres P3 et P4.................................................... 119 Photo IV.5- Flambement de la semelle suprieure, la dalle tait dcolle (P4).............................................. 122 Photo IV.6- Couche de bton restant colle sur lacier aprs rupture (P5)..................................................... 130 Photo IV.7- Couche de bton restant colle sur lacier aprs rupture (P6)..................................................... 130 Photo IV.8- Surface de lacier aprs rupture (P5) .......................................................................................... 130 Photo IV.9- Surface de lacier aprs rupture (P3) .......................................................................................... 130 Photo V.1- Vue densemble de la poutre colle en vraie grandeur P7 ........................................................... 149 Photo V.2- Modes de rupture de la poutre mixte P7 ...................................................................................... 160 Photo V.3- Sparation entre la dalle de lextrmit et celle davant (cot Nord) ........................................... 161 Photo V.4- Sparation entre la dalle mdiane et la dalle cole contre elle (cot sud) .................................... 161 Photo V.5- Fissure de la dalle du milieu ........................................................................................................ 161

INTRODUCTION GENERALE

Depuis lantiquit, lhomme essaie dassocier diffrents matriaux en sa possession afin de tirer sur le plan mcanique et conomique le meilleur parti possible de cette association. Il a ainsi cr plusieurs assemblages (mtal/bois, bois/pierre, mtal/pierre..). Dans le domaine des btiments et des travaux publics, les matriaux les plus utiliss en raison de leur rapport cot/performance sont lacier et le bton. Lassociation de ces deux matriaux est effectue par deux mthodes : - une liaison continue par adhrence : bton arm, poutrelles enrobes de bton. - une liaison discrte par connecteurs comme dans les ponts mixtes. Dans le cas des ponts mixtes, les connecteurs mtalliques permettent la solidarisation entre la dalle en bton et le profil en acier. Ils reprennent ainsi les diffrentes sollicitations existant linterface en empchant le glissement entre les deux matriaux ainsi que leur cartement. Ces dix dernires annes ont connu un grand dveloppement des ponts mixtes dans le monde entier. En France, linventaire des ouvrages tablis en 2002 par le ministre de lquipement montre que le parc franais est riche de 23200 ouvrages dont 4% (soit environ 930 sont des ponts mixtes) [Dubois, 2003]. Il a montr aussi que dans les nouvelles constructions les ponts mixtes reprsentent une proportion trs leve. Citons les exemples suivants : - en France le viaduc de lHpital-sur-Rhin de 220 m de porte. Cest un bipoutre large de 22.60 m portant une dalle prcontrainte dans le sens transversal, le viaduc dAbbeville sur la Somme dune largeur de 18.5 m et dune longueur totale de 760 m, le viaduc de la Planchette sur lautoroute A75 conu par le Service dEtudes Techniques des Routes et Autoroutes SETRA en 1994 ; sa longueur totale est de 221 m, sa largeur de 22.5 m, le deuxime pont sur le Rhne qui permet de relier la RN7 ct Drome la RN86 ct Ardche ; ce pont est form dun hourdis en bton arm reposant sur un caisson mtallique. Il a une longueur totale de 526 m et une largeur de 22.10 m,

Introduction gnrale

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- en Allemagne le pont portuaire de Riesa en 1999, le Pont de Niederlehme en 2000, le pont de Teltow en 2003, - en Belgique le viaduc de Moresnet en 2003, Ce succs est d aux nombreux avantages quoffre ce type de structure. En effet sur le plan mcanique, le caractre mixte des ponts permet de profiter au mieux de la rsistance la compression du bton et de celle la traction de lacier. Sur le plan conomique, les ponts mixtes cotent moins chers que les ponts en bton. Par exemple, lorsque un pont en bton prcontraint cote de 1500 2300 euros/m2, un ouvrage mixte revient une fourchette de 900 1200 euros/m2. Et grce aussi au dveloppement de nos connaissances sur les sollicitations appliques aux structures cres par les sismes et le vent, Mais depuis les annes 80 les deux matriaux, lacier et le bton, ont connu des volutions importantes telles que lapparition du bton hautes performances et celle des aciers hautes limites lastiques. Il a donc paru utile tous les acteurs participant ce type de construction mixte de rflchir en commun ses performances, ses volutions possibles et son devenir. Dans le cadre des projets nationaux de recherche et dveloppement appuys par le Rseau Gnie Civil et Urbain RGCU , le projet national de recherche et dveloppement MIKTI sur les ponts et les passerelles mixtes acier-bton de demain a associ dans la mme recherche plusieurs organismes publics et privs (bureaux d'tudes, entreprises, fournisseurs de matriaux, organismes de recherche, universits,). Le thme central de ce projet de recherche est la mise en valeur des potentialits de la connexion mixte entre l'acier et le bton dans les ouvrages d'art par la prise en compte des volutions rcentes des deux matriaux de base, par la simplification des techniques de connexion et par l'analyse des avantages que la mixit apporte au cours de la vie des ouvrages. Le programme comprend cinq thmes de recherche scientifique. Le Groupe Mcanique, Matriaux et Structures (GMMS) participe au groupe du travail du thme 2 conception et ralisation de dalles de ponts mixtes . Ce thme, anim par Louis Demilecamps, traite trois points essentiels : la recherche du ferraillage optimal des dalles des ponts mixtes, la mise au point et lamlioration de techniques nouvelles de ralisation

Introduction gnrale

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de ces dalles comme le poussage et la prfabrication, et ltude de nouveaux modes de connexion entre la dalle en bton et le profil mtallique. Concernant ce dernier point, on peut citer la connexion ponctuelle par paquets de connecteurs tudi par lINSA de Rennes, la connexion directe par encastrement de lme dcoupe dans le bton frett tudi par B. Jurkiewiez de lUniversit Robert Schuman de Strasbourg [Jurkiewiez, 2003] et finalement lassemblage par collage de la dalle au profil mtallique. Ce dernier procd prvoit lutilisation de la technique du collage direct des dalles de bton prfabriques sur le profil mtallique. Pour valuer les performances dun tel assemblage, le Laboratoire Mcanique Matriaux et Structures Universit Lyon (L2MS), dirig par le professeur Patrice Hamelin, est charg de caractriser le comportement des adhsifs, deffectuer des essais dadhrence bton- acier avec ces adhsifs ainsi que des essais de fatigue. En partenariat avec le L2MS, le Groupe Mcanique Matriaux et Structures (GMMS) de lUniversit de Reims Champagne Ardenne est charg deffectuer des essais prliminaires en flexion dun modle rduit de poutre mixte colle acier-bton et aprs cette mise au point sur modle rduit dtudier le comportement mcanique jusqu la ruine, lors dun essai exprimental, dune poutre mixte colle en vraie grandeur. Lassemblage des dalles prfabriques au profil mtallique par collage est conu grce aux avantages de ce type dassemblage par rapport lassemblage traditionnel, au dveloppement des performances mcaniques des adhsifs et lamlioration apprciable de leur durabilit. Cependant la ralisation pratique dun collage acier-bton soulve de nombreuses difficults. Ce travail a donc pour objectif danalyser le comportement mcanique dune structure mixte acier-bton assemble par la technique du collage. Nous tudions ainsi les principaux paramtres qui influencent les performances de la structure colle tels que le mode de construction de la dalle, ltat de surface des deux substrats, la nature de ladhsif, lirrgularit de lpaisseur du joint dadhsif et le facteur dchelle. Nous prsentons dans le chapitre I, une tude bibliographique sur les poutres mixtes acierbton. Nous retraons dabord lhistorique de la conception et de lvolution des mthodes de calcul des poutres mixtes acier-bton. Nous prsentons ensuite les principes et les rgles de calcul et de dimensionnement de ces poutres mixtes retenus par lEurocode 4.

Introduction gnrale

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Au chapitre II, nous dcrivons la mthode dassemblage classique par les connecteurs mtalliques et nous proposons ensuite un nouveau mode de liaison entre le bton et lacier par un joint dadhsif. Nous prsentons tout dabord les tapes dvolution des systmes de connexion traditionnelle, le comportement des connecteurs mtalliques classiques et les modes de rupture des poutres mixtes assembles par ces connecteurs. Le connecteur goujon est le plus utilis dans le monde pour lier la dalle de bton au profil mtallique, cest pourquoi, nous prsentons une analyse des mthodes de calcul de la connexion par goujons en phases lastique et plastique. Nous montrons ensuite les avantages mcaniques et conomiques des poutres mixtes colles par rapport aux poutres mixtes assembles par soudage des goujons sur le profil mtallique. En fin, en analysant dune faon critique les diffrents modes dassemblage dcrits dans la littrature des poutres mixtes colles, nous proposons un modle exprimental des poutres mixtes colles que nous pensons tre le plus pratique et le plus performant. Dans le troisime chapitre, nous dtaillons la procdure exprimentale que nous avons mise au point pour tudier le comportement mcanique des poutres mixtes colles. Nous y dveloppons une description de la mthode de dimensionnement des poutres, les caractristiques des matriaux utiliss, linstrumentation des poutres testes et le dispositif dessais de flexion des poutres. Le chapitre IV est consacr la prsentation des rsultats exprimentaux et leur analyse ainsi qu leur confrontation avec ceux donns par le calcul numrique laide du logiciel de calcul par lments finis ABAQUS. La partie exprimentale met en vidence linfluence du mode de construction de la dalle de bton, du traitement de surface des deux matriaux acier et bton, de la nature de ladhsif utilis comme lment dassemblage et de lirrgularit de lpaisseur du joint dadhsif sur les performances mcaniques des poutres mixtes colles. A partir des rsultats exprimentaux, nous dduisons les principaux points que nous aurons respecter lors de la ralisation de la poutre en vraie grandeur afin de sassurer que cette structure colle soit la plus performante possible. Dans le dernier chapitre, nous tudions le comportement mcanique de la poutre mixte colle en vraie grandeur, de 9 m de long et 8.5 m de porte entre appuis. Aprs avoir dcrit le corps dpreuve, son instrumentation, les caractristiques des matriaux utiliss et la21

Introduction gnrale

procdure exprimentale, nous prsentons les rsultats obtenus ainsi que leur analyse critique. Enfin, nous achevons le mmoire par une conclusion gnrale dans laquelle nous rappelons les principaux rsultats que nous avons pu tirer de ces essais, et nous dgageons quelques perspectives de ce travail.

Introduction gnrale

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CHAPITRE I : POUTRES MIXTES ACIER-BETON

INTRODUCTION Lassociation de la dalle en bton et du profil en acier dans les poutres mixtes prsente plusieurs avantages. La dalle en bton, outre son rle de surface porteuse, permet la reprise des efforts de compression ainsi quune protection complmentaire de lacier contre la corrosion et lincendie. La collaboration de la dalle peut aussi se traduire par une rduction de poids de la structure mtallique, une assurance du contreventement au niveau suprieur vis a vis des efforts de vent et une amlioration de la stabilit au dversement des poutres continues en double T en zone de moments ngatifs. A son tour, le profil mtallique remplace les armatures et conserve leur rle en travaillant essentiellement en traction. Dun point de vue structural, le principe de fonctionnement dune structure mixte constitue dune poutre mtallique connecte une dalle en bton arm est le suivant : la dalle, soumise directement aux charges, les transmet aux poutres par flexion locale, les poutres, soumises aux ractions dappui de la dalle reportent ces forces sur leurs propres appuis par flexion gnrale. Le bton li lacier participe cette flexion gnrale. Dans ce paragraphe, nous allons prsenter lvolution des thories de calcul des poutres mixtes et quelques principes et rgles dapplication pour leur calcul. I.1 HISTORIQUE DES METHODES DE CALCUL DES POUTRES MIXTES La premire approche a t propose en 1912 par Andrews [Trouillet, 1987]. Il considre que lacier et le bton sont lis par adhrence. Le calcul des sollicitations internes se fait donc suivant les hypothses classiques de la rsistance des matriaux. Cette approche est valable jusqu' rupture par adhrence. Pour reprendre des sollicitations au del de ce seuil, il faut utiliser des connecteurs ponctuels. Le modle dAndrews savrant inutilisable pour ces niveaux de sollicitations, plusieurs thories lastiques ont t proposes par Stussi et Granholm [Stussi, 1947], [Granholm, 1949]. En 1951, Newmark a montr lexistence du glissement le long de linterface acier- bton. Il envisage un comportement linaire pour lacier, le bton et la connexion. Son modle est satisfaisant pour les charges de service, cependant il savre trop approximatif pour des charges leves du fait de la linarit de la courbe charge/glissement des connecteurs [Newmark, 1951].

Chapitre I : Poutres mixtes acier-bton

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De 1964 1972, Chapman [Chapman, 1964] a test 17 poutres mixtes isostatiques avec divers types de connecteurs en faisant varier lintensit de la connexion et le mode de chargement. Ses rsultats ont incit Barnard et Johnson [Barnard, 1965] dfinir une mthode de calcul analytique de la rsistance ultime des poutres mixtes isostatiques. Cette premire tentative de calcul plastique des poutres mixtes suppose une connexion complte et un module dlasticit du bton constant jusqu ce que lacier atteigne sa limite dlasticit. Au-del, ces auteurs estiment que le comportement non linaire du bton na pas une grande influence et quils peuvent se contenter de ne retenir que la contribution de lacier relevant dun diagramme lasto-plastique parfait. Dautres essais sur des poutres hyperstatiques ont montr la validit de leur mthode, du moins dans les limites des dimensions des prototypes tests, moyenant quelques amnagements de la mthode, en particulier pour le calcul de la rsistance ultime en section sous moment ngatif. Lapparition du calcul automatique des structures sur ordinateur a incit Chapman raliser le premier modle de calcul de poutres mixtes connexion partielle [Chapman, 1968], [Chapman, 1972]. Il adopte un modle de comportement lastoplastique parfait pour lacier et le bton et une loi de connexion continue linterface des deux matriaux. Il impose une force dinteraction nulle au droit des appuis simples de la poutre isostatique et nglige linfluence du glissement linterface sur la distribution du moment de flexion pour les poutres hyperstatiques. En 1967, Siess et Dai ont prsent un modle de comportement pour des tats lastiques et plastiques en supposant que la liaison linterface acier/ bton est discrtise et la courbe charge/ glissement est dcompose en plusieurs droites [Trouillet, 1987]. En 1978, Hallam a propos un modle prenant en compte une loi de comportement du connecteur dpendante de lhistoire du chargement [Hallam, 1978]. Un modle de ce type a t dvelopp par Seddik et Behr [Seddik, 1980] au LCPC pour le cas des matriaux lastiques-plastiques. En 1982, un modle a t dvelopp par Aribert et Labib [Aribert, 1982]. Ce modle a t repris ensuite par Aribert et Abdel-Aziz [Aribert, 1985]. Ces auteurs ont suppos un comportement lasto-plastique parfait pour lacier avec un diagramme contrainte-dformation symtrique en traction et en compression par rapport lorigine, un comportement parabole rectangle pour le bton ; ils considrent que le bton en traction


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noffre aucune rsistance, la liaison linterface acier-bton seffectue de manire discontinue uniquement au droit de chaque connecteur. Ensuite, plusieurs auteurs ont dvelopp des mthodes de calcul numrique. Cest ainsi quen 1994, Ren et al. ont compar deux modles numriques avec des rsultats dessais de poutres mixtes dans le but de prsenter un programme de calcul par lments finis capable de prvoir au mieux le comportement et la rsistance de poutres mixtes [Ren, 1994]. En 1996, Bin Zhao et al ont dvelopp un modle de calcul par lments finis en formulation lagrangienne en prenant le glissement linterface comme inconnue [Bin, 1996]. En 1997, Aribert a prsent une approche analytique de linfluence de la nuance de lacier du profil mtallique allant de S 235 S 460 sur le degr minimum de connexion partielle dune poutre mixte [Aribert, 1997]. En 2001, Seracino et al. [Seracino, 2001] ont introduit le concept du point focal de linteraction partielle fond sur la thorie classique linaire lastique de linteraction partielle de Newmark [Newmark, 1951]. Le modle permet de prvoir le changement des contraintes dans lacier et le bton d linteraction partielle. Lide est de considrer que la distribution des dformations est comprise entre celle de deux dformations limites : la premire se produit quand les connecteurs ont une rigidit infinie (linteraction est totale) la seconde lorsque la rigidit est nulle (il ya absence dinteraction). Les deux courbes de dformation reprsentant ces deux cas se coupent en deux points appels points focaux. La distribution des dformations due linteraction partielle est donc obtenue en passant par ces deux points avec une pente qui est pralablement dfinie par le calcul. I.2. DIMENSIONNEMENT DES POUTRES MIXTES Pour le dimensionnement des poutres mixtes avec connecteurs, on se rfre aux principes et aux rgles dapplication de lEurocode 4, Partie 1-1. La structure mixte doit vrifier ltat limite ultime et ltat limite de service.


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I.2.1. Etat Limite Ultime Nous devons vrifier pour les poutres mixtes les lments suivants : la rsistance des sections transversales critiques soumises aux actions du moment flchissant et de leffort tranchant, la rsistance au dversement, la rsistance de lme au voilement par cisaillement et la compression locale sous charges transversales, la rsistance au cisaillement longitudinal.

Pour les poutres mixtes, il est important dtudier les tats limites en phase de construction. En effet, la collaboration de la dalle ne peut tre prise en compte par le dimensionnement du profil en acier qu partir du moment o le bton a suffisamment durci. Le coulage du bton frais entrane une surcharge pour laquelle la poutre en acier doit satisfaire aux tats limites dus la flexion et au cisaillement transversal selon lEC3. La notion de largeur effective et la classification des sections sont deux concepts importants qui servent de base au dimensionnement des poutres mixtes. I.2.1.1 Concept de largeur effective Le comportement rel d'une poutre mixte est loin de vrifier l'hypothse de conservation des sections planes, en raison de l'existence de divers phnomnes tels que le comportement bidimensionnel de la dalle et sa dforme non uniforme sur la largeur due un effet de tranage par cisaillement ou au glissement relatif linterface acier-bton. Le concept de largeur effective inclut tous ces phnomnes en dfinissant une section plane quivalente de largeur fixe, dite effective, permettant de travailler avec la thorie des poutres (hypothse de conservation des sections planes). Des recherches ont montr que la largeur effective beff dpend de manire complexe du rapport de lentraxe B la porte de la poutre L (fig. I.1), du type de chargement, des conditions dappuis et d'autres variables. Ces recherches ont t effectues pour des charges verticales et servent de base aux valeurs de largeurs effectives proposes par lEurocode 4.


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beff

BFigure I.1- Concept de largeur effective I.2.1.2 Classification des sections Ce paramtre permet de calculer la rsistance des sections transversales en fonction de leur capacit atteindre pleinement la plastification sur toute la hauteur de la section (rotule plastique). Selon la capacit de rotation de la section et le voilement local ventuel, on dfinit la classe laquelle appartient la section (classe 1 4) : Classe1 : quand la section est capable de dvelopper le moment de rsistance plastique avec une capacit de rotation suffisante pour permettre la formation dune rotule pastique, Classe 2 : lorsque la section est galement capable de dvelopper le moment rsistant plastique, mais avec une capacit de rotation limite, Classe 3 et 4, lorsquen raison de voilement local intervenant dans une zone comprime de la poutre mtallique (me ou semelle), les fibres en acier les plus sollicites ne peuvent dpasser la limite dlasticit de calcul (classe 3), ou une valeur infrieure (classe 4). Les deux premires classes (1 et 2) permettent de prendre en compte une redistribution complte des contraintes (plastification complte).


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I.2.2 Etat Limite de Service Dans les constructions mixtes acier-bton, la plupart des dgts constats rsultent des charges permanentes et des effets diffrs, dus au bton, que ces charges provoquent (volution des dformations dans le temps). Il est donc ncessaire de calculer les flches dues aux diffrentes charges et de fixer des limites suprieures de dformations. De plus, il est ncessaire, surtout pour les constructions non tayes, de fixer des limites de dformations au stade du btonnage de la dalle, afin dviter des flches permanentes nfastes et des surplus de bton non dsirs. La vrification des flches des poutres mixtes doit prendre en compte le fluage et le retrait du bton. Les valeurs admissibles de flches adoptes par lEurocode 4 sont identiques celles donnes par lEurocode 3 pour les btiments en acier. Ces valeurs admissibles sont gnralement satisfaites si les valeurs du rapport de la hauteur totale de la section mixte des poutres leur porte se situent dans les intervalles suivants : - pour des poutres simplement appuyes : 15 18 pour les poutres matresses, 18 20 pour les poutres secondaires, - pour les poutre continues : 18 22 pour les poutres matresses, 22 25 pour les poutres secondaires.


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I.3 CALCUL DES EFFORTS INTERIEURS Les efforts intrieurs des poutres mixtes (moment flchissant, effort tranchant) sont dtermins par un calcul lastique ou par un calcul plastique. I.3.1 Analyse lastique Dans cette analyse, les efforts intrieurs sont dtermins en supposant que les matriaux ont un comportement lastique linaire. Un des avantages de lanalyse lastique des poutres mixtes est quelle peut tre utilise pour toutes les poutres continues, quelle que soit la classe des sections. En revanche, dans ce type danalyse, il est essentiel de prendre en compte la perte de la rigidit due la fissuration du bton dans les zones de moment ngatif dont leffet sur la redistribution des moments intervient avant datteindre ltat limite de service. Deux types danalyse sont permis par lEurocode 4 (clause 4.5.3.1 (2)) : a)- lanalyse non fissure , effectue avec un moment dinertie de flexion I1 constant par trave, calcul en supposant le bton tendu non fissur (avec homognisation par rapport lacier) et en considrant la largeur effective de la dalle a mi trave, b)- lanalyse fissure , en adoptant une inertie de flexion fissur I2 sur une distance gale 15% des traves de part et dautre de chaque appui intermdiaire et en conservant I1 sur le reste des traves. Le comportement particulier des poutres mixtes acier/bton est caractris par linteraction entre lacier et le bton. Lors du calcul de la rsistance dune telle section, on considre que linteraction est complte, c'est--dire quil ny a pas de glissement entre les deux matriaux. Pour simplifier, on utilise une mthode de calcul qui permet de remplacer la section du bton par une section quivalente en acier. Cette mthode consiste dterminer le coefficient dquivalence lastique nel. I.3.1.1 Coefficient dquivalence lastique A la jonction entre la poutre mtallique et la dalle en bton, tout dplacement relatif entre ces deux structures considr impossible et lhypothse de Navier-Bernouilli sapplique sur


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la totalit de la section. De plus, les matriaux acier et bton sont supposs tre lastiques. La loi de Hooke permet dexprimer les variations relatives de longueur de fibres, lune dans lacier et lautre dans le bton [Manfred, 1994] : - pour lacier a = a / E a - pour le bton b = b / E b o a et b sont les contraintes respectivement dans lacier et dans le bton, E a et E b , les modules dlasticit correspondants. La condition a = b permet dcrire :

a E a = = n el o nel est le coefficient dquivalence lastique. b E bLe coefficient dquivalence nel varie donc suivant les caractristiques du bton selon que laction est de courte dure ou de longue dure. nel = 18 sous charge de longue dure (charge permanente) et effets diffrs (retrait, fluage et temprature). nel = 6 sous charge de courte dure. I.3.1.2 Caractristiques des poutres mixtes La section mixte est gnralement homognise par rapport lacier (tableau. I.1). Il convient de poser (fig. I.2) GG a = y a et GG b = y b avec y c = y a + y b ( y c , y a , y b 0)

Acier Section Centre de gravit Moment dinertie Sa Ga Ia

Dalle en bton Sb Gb Ib

Section mixte S = Sa + S b / n

GI

Tableau I.1- Caractristiques de la poutre mixte


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beff y Gb yb G ya Ga x

Figure I.2- Section droite de la poutre mixte acier-bton I.3.1.3 Position du centre de gravit de la section mixte Le moment statique de la section homogne par rapport laxe horizontal passant par G est nul (fig. I.2).

s

y ds =

sb

y / n ds b + sa y ds a = 0

Do y a =

y cSb yS et y b = c a avec y c = y a + y b ns s

I.3.1.4 Inertie de la section mixte La connaissance de la position de laxe neutre permet de calculer le moment dinertie de la section mixte en additionnant linertie propre de chaque lment de la section et le terme dHuygens correspondant, tout en ayant pris soin de transformer les parties de section en bton par leur section en acier quivalente. Linertie de la section mixte par rapport G scrit :

I=

s

y 2 ds =

sb

y 2 / n ds b + sa y 2 ds a , Ce qui donne en dveloppant :

I = Ia +

2 I b y c Sa S b + n nS


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I.3.1.5 Calcul des contraintes Aprs avoir dtermin la position de laxe neutre et linertie quivalente de la section mixte, il est possible de dterminer la grandeur des contraintes agissant sur les diffrents lments de la section mixte, soumise un moment flchissant M, avec lhypothse de Navier. Les poutres mtalliques sont affectes dune largeur effective pour le calcul des caractristiques mcaniques. La contrainte normale dans le bton et lacier est donne par la formule de Navier := M y IVS Ib

La contrainte de cisaillement est gale = Avec :

y : ordonne par rapport laxe neutre de la section mixte,

V : effort tranchant, S : moment statique de la dalle par rapport laxe neutre de la section mixte,I : inertie de la section mixte,

b eff : largeur effective de la dalle, b : largeur de la semelle suprieur du profil. Pour le dimensionnement, on doit satisfaire la condition : d < R d o d est la valeur de calcul de la contrainte et R d , la rsistance de calcul correspondante en lasticit. Elle est donne par la rsistance de calcul infrieure divise par un facteur partiel de scurit, elle est gale respectivement f y / a , f ck / c , f ys / s pour lacier, le bton et les armatures. Les valeurs spcifies par lEurocode 4 pour les facteurs de scurit sont : a = 1 c = 1.5 s = 1.15 I.3.2 Analyse plastique Dans le calcul des sections mixtes en plasticit, on doit satisfaire certaines conditions dlancement du profil mtallique donnes dans lEurocode 4 (version ENV1994-1-1). Dans les btiments, les sections utilises permettent en gnral de garantir un comportement plastique. Ltat dquilibre gnralement adopt pour le calcul plastique


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est celui o lon a simultanment la fibre suprieure du bton comprim cu = 3.5% et une plastification totale de la section mtallique. Pour cela, il est ncessaire de respecter les conditions suivantes : la dformation c de la fibre extrme comprime du bton doit tre gale la dformation spcifique conventionnelle de rupture cu = 3.5% correspondant lcrasement du bton, La dformation des fibres extrmes de la poutre mtallique doit tre largement suprieure lallongement limite lastique y , afin que la plastification totale de lacier soit garantie. I.3.2.1 Coefficient dquivalence plastique Dans le calcul plastique, les contraintes agissant sur les sections en acier a et en bton c sont respectivement gales la limite dlasticit de lacier f ya et la rsistance la compression du bton f c . Lgalit des efforts normaux dans lacier et dans le bton est la seule condition respecter pour le calcul plastique, do :

f c A c = f ya A a partir de laquelle, il est possible dexprimer la section quivalente de lacier A a Aa = Ac f ya / f c

Par convention, le coefficient dquivalence plastique reprsente le rapport des rsistancesn pl = f ya / f c

Laire de la section en acier A a quivalente la surface de bton A c peut tre dtermine de la faon suivante : Aa = Ac n pl


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Pour tenir compte de larmature prsente par exemple dans une section sur appui intermdiaire dune poutre continue, o on suppose que le bton tendu est fissur, le coefficient dquivalence est dtermin de manire analogue :n pls = f ya f ys

o f ys est la limite dlasticit des armatures.

I.3.2.2 Hypothses de calcul Pour calculer la rsistance plastique dune section mixte, on adopte les hypothses suivantes [Bourrier, 1996] : la connexion de la trave (o se situe la section tudie) est complte, de faon que le profil mtallique, ou la dalle de bton, ou encore lensemble des armatures puisse atteindre leur rsistance maximale, toutes les fibres de la poutre en acier, y compris celles situes au voisinage immdiat de laxe neutre, sont plastifies en traction ou en compression; les contraintes f ya exerces sur ces fibres sont donc gales f y / a (fy est la limite dlasticit de lacier ), la distribution des contraintes normales dans le bton comprim f c est uniforme et gale 0.85 f ck / c (fck est la rsistance caractristique la compression sur une prouvette cylindrique, mesur 28 jours), la rsistance du bton en traction est nglige, les armatures de la dalle, lorsquelles sont sollicites en traction, sont plastifies la valeur de contrainte de calcul f sk / s ( fsk est la limite dlasticit caractristique spcifie des armatures), la contribution des armatures peut tre nglige lorsque la dalle est comprime. I.3.2.3 Cas dune section sous moment positif Dans le cas dune section mixte soumise un moment de flexion positif (par convention le moment est positif lorsque la dalle de bton est comprime), par comparaison entre la


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rsistance plastique du profil en traction Fa (section du profil mtallique Aa multiplie par f y / a ) et celle de la dalle en compression Fc (section de bton beff x hc multiplie par0.85 f ck / c ), on distingue trois cas de position de laxe neutre : dans la dalle, dans la

semelle suprieure ou dans lme du profil mtallique. Quand Fc > Fa , laxe neutre plastique se situe dans la dalle (fig. I.3). Le profil mtallique reprend un effort de traction Fa gal A a f y / a . La partie comprime de la dalle reprend alors une force de compression donne par 0.85 b eff y f ck / c . Lordonne y de laxe neutre plastique par rapport la face suprieure de la dalle est+ obtenue en crivant lquilibre des efforts horizontaux Fa = y b eff 0.85 f ck / c

Donc y =

Fa hc (b 0.85 f ck / c )+ eff

Le moment rsistant plastique au niveau de la rsultante du bton comprim est donc :

M + .Rd = Fa (h a / 2 + h c y / 2) plbeff hc

0,85fck y

ha

Axe neutre plastique

fy f

Figure I.3- Axe neutre plastique de la poutre mixte dans la dalle On utilise la mme dmarche pour les deux autres cas : Quand laxe neutre se situe dans la semelle en acier Fc < Fa , et Fa Fc 2b f t f f y / a


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La condition dquilibre scrit Fa = Fc + 2b f ( y h c )f y / a et le moment rsistant au niveau de la rsultante du bton comprim est gal :+ M pl.Rd = Fa (h a / 2 + h c / 2) (Fa Fc ).y / 2

Quand laxe neutre est situ dans lme Fc < Fa et Fa Fc > 2b f t f f y / a Le moment rsistant au niveau du centre de gravit du profil est gal :

M + .Rd = M apl.Rd + Fc (h a / 2 + h c / 2) Fc y w / 2 plo y w = Fc /( 2 t w f y / a ) est la distance entre le centre de gravit de la section mixte et celui du profil mtallique seul. Dans le cas dune section mixte sous moment de flexion ngatif, la section rsiste au niveau du profil en acier et des barres darmature comprises lintrieur de la largeur effective de la dalle (sur appui intermdiaire). Deux cas de position daxe neutre plastique sont envisags : dans la semelle suprieure ou dans lme du profil mtallique [Bourrier, 1996] CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons prsent les diffrentes mthodes de dimensionnement des poutres mixtes acier bton. Lhypothse fondamentale utilise par toutes ces thories est quil existe une connexion parfaite entre lacier et le bton. Etant donne que ladhrence entre les deux matriaux est trs faible, la solidarisation est effectue par des systmes de liaison capables de transmettre les diffrents efforts linterface. Le chapitre suivant dcrit la mthode dassemblage classique par les connecteurs mtalliques et propose un nouveau mode de liaison entre le bton et lacier par un joint dadhsif.


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CHAPITRE II : ASSEMBLAGE DES POUTRES MIXTES ACIER- BETON

INTRODUCTION Autrefois, en construction mixte, la dalle en bton arm avait essentiellement pour rle celui de transmettre les charges, en les rpartissant, lossature dun btiment ou aux poutres matresses dun ouvrage. Les fonctions de chacun des lments (dalle, poutre) taient ainsi bien spares, nimpliquant pas la ncessit dune liaison effective de ceux-ci. Lvolution normale a t de prendre en compte la rsistance du bton comprim de la dalle de couverture afin de diminuer les sections dacier et donc le prix de la construction. Cette conception, aujourdhui adopte par la plupart des constructeurs ncessite lutilisation dun systme de connexion capable de reprendre les diffrentes sollicitations linterface des deux matriaux. Cette liaison entre la dalle en bton et le profil mtallique est classiquement assure par des connecteurs fixs sur le profil mtallique par diffrentes mthodes comme le soudage, le vissage, le clouage, De nouvelles solutions de connexion entre la dalle en bton et le profil mtallique sont en cours de dveloppement. Dans son tude, Lebet associe la connexion mcanique une connexion par adhrence [Thomann, 2003]. Quant Jurkiewiez, il assure la connexion au moyen dun procd constitu de butes horizontales prenant appui sur la partie suprieure de lme dcoupe en forme de crneaux noys dans la dalle renforce localement par un frettage [Jurkiewiez, 2003]. Dans notre recherche, la liaison entre la dalle en bton et le profil mtallique est assure par un procd de connexion innovant. Il consiste assembler la dalle en bton prfabrique et le profil mtallique par un joint dadhsif. Dans ce chapitre, nous allons prsenter une synthse bibliographique de ces deux types dassemblage des poutres mixtes acier-bton : lassemblage classique par connecteurs mtalliques. lassemblage innovant par un joint dadhsif.

Chapitre II : Assemblage des poutres mixtes acier-bton

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II.1

POUTRES

MIXTES

ASSEMBLEES

PAR

DES

CONNECTEURS

METALLIQUES Introduction Lobjectif de cette partie est de prsenter une synthse sur le comportement des connecteurs mtalliques classiques, les modes de rupture des poutres mixtes assembles par connecteurs et le calcul de la connexion entre la dalle en bton et le profil mtallique. II.1.1 Evolution des connecteurs mtalliques Le rle de ces connecteurs est primordial ; sans eux, il ny a pas de collaboration entre la section en acier et la dalle de bton. Ils permettent dempcher ou au moins de limiter le glissement pouvant se produire le long de linterface acier-bton. En assurant ainsi une reprise des efforts de cisaillement longitudinaux, cela permet dobtenir une section mixte dont les deux composantes travaillent ensemble. Les premiers connecteurs utiliss sont des connecteurs composs dun hlicode daxe longitudinal soud son contact avec la membrure suprieure du profil mtallique. Ils ont t tudis par Voellmy (1933 Institut Fdral pour lessai des matriaux, Suisse) (fig. II.1).Connecteur Profil mtallique

Figure II.1- Connecteur, en forme dhlice, soud au profil en acier Ensuite, entre 1940 et 1950 [Trouillet, 1987], des laboratoires europens et amricains ont essay dobtenir des connecteurs plus performants tels que : des barres dacier bton arm en forme de crochet (fig. II.2), des butes ralises partir de profils divers : carrs, T, U ((fig. II.3), des systmes combins, butes arceaux, raliss partir des deux types prcdents

(fig. II.4).

Chapitre II : Assemblage des poutres mixtes acier-bton

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Dalle en bton

Profil mtallique

Connecteurs

Figure II.2- Connecteurs, en forme de crochet, souds sur la semelle suprieure du profil mtallique

Figure II.3- Butes ralises partir de profils divers

Figure II.4- Connecteurs composs dune bute la base et renforcs par une barre dacier pour r

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