Étude de l'influence des paramètres structuraux sur les lois de comportement des bétons fibrés pour la conception de structures

Les bétons fibrés permettent d'obtenir des comportements structuraux ductiles en plus de permettre de réduire le nombre d'armatures ou encore de diminuer les dimensions d'une section. Les outils numériques d'aujourd'hui permettent de reproduire le comportement des structures de béton et contribuent à aider les ingénieurs à optimiser leurs designs. Toutefois, afin d'utiliser de tels outils, l'ingénieur doit bien connaître les lois de comportement régissant les matériaux utilisés, en plus de connaître l'effet des conditions statiques sur ces lois. Le premier objectif du présent projet de recherche est de caractériser les lois de comportement en traction de différentes gammes de béton, plus particulièrement le béton haute performance 50 MPa (BHP50), le béton fibré haute performance 50 MPa (BRF50) et le béton fibré à ultra haute performance 120 MPa (BFUP120). Le second objectif est de caractériser l'influence des conditions statiques sur des poutres de flexion. Finalement, le dernier objectif est d'arriver à reproduire le comportement non linéaire des éléments structuraux utilisant les trois types de béton étudiés à l'aide d'un logiciel d'éléments finis. Pour réaliser les objectifs de ce projet, nous avons d'abord mis au point un essai de traction directe permettant de caractériser le comportement en traction des bétons. Nous avons ensuite testé en traction des spécimens de BHP50, BRF50 et BFUP120 avec et sans barres d'armature afin d'obtenir des lois de comportement qui tiennent compte ou non du phénomène de raidissement en traction. Nous avons ensuite élaboré deux montages permettant de réaliser des essais de flexion isostatiques et hyperstatiques. Des poutres de flexion isostatiques et hyperstatiques ayant des pourcentages de renforcement de 0 %, 0,5 % et 1 % ont été fabriquées pour chaque type de béton testé. Ces essais nous ont fourni une base comparative pour les calculs numériques. Nous avons remarqué, suite à ces essais, une fissuration accrue en moment négatif pour les poutres de bétons fibrés (BRF50 et BFUP120), ce qui est venu appuyer l'hypothèse que l'hyperstaticité permet une meilleure performance des bétons de fibres en favorisant la multifissuration.

Abstract

Fibre reinforced concrete allows ductile structural behaviours, as well as reduction of the number of rebars or reduction of the concrete section. Today's numerical tools can reproduce the behaviour of concrete structures and help engineers optimize their designs. However, to use such tools, the engineer must have a good understanding of the material constitutive laws adopted and know how static conditions affect these laws. The first objective of this research project is to characterize the tensile response of different types of concrete, namely high strength concrete 50 MPa (BHP50), fibre reinforced concrete 50 MPa (BRF50) and ultra high performance fibre reinforced concrete 120 MPa (BFUP120). The second objective is to study the influence of static conditions on the behaviour of flexural beams. Finally, the last objective is to successfully reproduce the nonlinear behaviour of structural elements using the three types of concrete studied using a finite element software. To achieve the objectives of this research project, we developed a direct tensile test, allowing characterizing the tensile behaviour of concrete. We then tested tension specimens made with BHP50, BRF50 and BFUP120 concrete with and without rebars in order to obtain tensile laws that accounted or not the tension stiffening effect. We elaborated two different flexural tests: one in isostatic conditions and one in hyperstatic conditions. Isostatic and hyperstatic flexural beams with reinforcement ratios of 0 %, 0.5 % and 1 % have been made for each type of concrete tested. These tests gave us a comparative base for the finite elements models. These tests indicated increased cracking in the negative flexure zone for the fibre reinforced concretes (BRF50 and BFUP120). This observation supports the assumption that redundancy increases the performance of fibre reinforced concretes by favouring multi-cracking. Finally, we have reproduced each flexural tests using the finite elements analysis software ATENA and the tensile relations obtained with direct tensile tests. We have determined with these models that a calibration of the tensile relations was necessary in order to correctly localize cracking. Furthermore, the study of the “characteristic size” parameter led us to the conclusion that a value of comparable size to the size of the meshing used gave the best results.