Effet de la charge de fatigue sur l’interface PRF-béton

Introduction

Au cours de leur durée de vie, les structures en béton armé (BA), comme les poutres de pont, doivent résister à un grand nombre de cycles de charge de fatigue, principalement dus aux charges de circulation. De nombreuses structures de pont existantes au Canada et dans le monde ont été construites selon d’anciennes normes qui ne répondent plus à l’évolution des conditions d’exploitation, notamment l’augmentation progressive des charges réglementaires de service (charges mobiles) causée par l’augmentation du volume de circulation. En effet, sur plus de 8000 ponts recensés par le réseau routier national canadien, 60 % ont plus de 30 ans, environ 4 % sont jugés en mauvais état et 80 % nécessitent une certaine forme de réhabilitation [1]. Aux États-Unis, les rapports montrent que sur 615 002 ponts, environ 9 % sont classés comme structuralement déficients [2]. Par conséquent, la réhabilitation des structures de ponts en BA pour résister aux charges cycliques de fatigue a toujours été et demeure une préoccupation majeure des ingénieurs. À cette fin, l’utilisation des matériaux composites en polymères renforcés de fibres (PRF) collés en surface (CS) pour renforcer les poutres déficientes en BA est largement acceptée, notamment en cisaillement. Les composites en PRF-CS offrent de nombreux avantages tels qu’un rapport résistance-poids élevé, une résistance élevée à la corrosion et à la fatigue, un poids léger et une facilité d’application.

La durée de vie et la résistance à la fatigue d’une structure sont généralement représentées par une courbe S-N, qui représente la contrainte, S, en fonction du logarithme du nombre de cycles de charge de fatigue, N. Pour les structures en acier, une tendance descendante apparaît sur la courbe S-N jusqu’à atteindre un certain niveau de contrainte, appelé limite d’endurance, au-delà duquel la courbe progresse horizontalement le long de l’axe N. Par contre, pour le béton, la courbe S-N a une tendance descendante jusqu’à la résistance ultime à la fatigue sans limite d’endurance, comme montré à la figure 1 [3]. En ce qui concerne le comportement en fatigue des composites en PRF, les PRF de fibres de carbone (PRFC) ont une plus grande résistance à la fatigue par rapport aux autres composites en PRF de fibres de verre ou d’aramide [4].

Fig. 1. Courbes S-N schématiques du béton et de l’acier

Le comportement d’adhérence à l’interface PRF-béton peut avoir un effet important sur la résistance à la fatigue des poutres en BA renforcées en cisaillement à l’aide de PRF-CS. En effet, le décollement prématuré souvent observé à l’interface empêche les PRF-CS d’atteindre leur pleine capacité. Par conséquent, il convient d’évaluer la résistance à la fatigue des structures en BA renforcées en cisaillement à l’aide de PRF-CE selon le comportement de l’interface PRF-béton et étudier les paramètres influençant l’interaction interlaminaire entre le béton et les PRF.

Comportement de l’interface PRF-béton sous charge cyclique de fatigue

L’interface PRF-béton joue un rôle majeur dans la performance de cisaillement des structures en BA renforcées à l’aide de PRF-CS sous charge de fatigue. De nombreux paramètres peuvent affecter l’interface PRF-béton, notamment la résistance du béton, la longueur d’adhérence du PRF, le rapport de la largeur du PRF au béton, et l’amplitude de la charge de fatigue. Un modèle d’adhérence contrainte-glissement sous charge cyclique est généralement utilisé pour caractériser le comportement en fatigue de l’interface PRF-béton. La figure 2 montre la relation d’adhérence contrainte-glissement développée par Ko and Sato [5] sur la base des enveloppes d’hystérésis obtenues sur des essais d’arrachement à double recouvrement sous charge cyclique.

Fig. 2. Courbe contrainte-glissement d’interface sur la base des enveloppes d’hystérésis sous charge cyclique [5]

Le modèle bilinéaire d’adhérence contrainte-glissement de Diab et al. [6], illustré à la figure 3, peut exprimer la relation à l’interface PRF-béton entre la contrainte d’adhérence cyclique (i.e., et = contrainte maximale aux temps 0 et t, respectivement) et le glissement d’adhérence (i.e., = glissement correspondant à la contrainte maximale, et et = glissement ultime aux temps 0 et t, respectivement).

Fig. 3. Modèle bilinéaire contrainte-glissement d’interface sous charge cyclique [6]

Les figures 4 et 5 montrent la relation d’adhérence contrainte-glissement selon le modèle de Li et al. [7], validée par deux groupes de spécimens (B et C) sous différentes charges cycliques et comparée au modèle d’adhérence proposé par Zhu et al. [8]. Dans les spécimens du groupe B, les effets de l’amplitude de la charge et de la résistance du béton ont été considérés, tandis que dans les spécimens du groupe C, les effets du rapport de la largeur du PRF au béton et de la longueur d’adhérence du PRF ont été évalués. Pour le groupe B, les deux modèles d’adhérence contrainte-glissement étaient en accord lors de l’étude de l’effet de la résistance du béton et de l’amplitude de la charge de fatigue. Cependant, pour le groupe C, des réponses plus précises ont été obtenues par le modèle de Li et al. [7] par rapport à celui de Zhu et al. [8] en considérant l’effet du rapport de la largeur du PRF au béton. De plus, le modèle bilinéaire contrainte-glissement développé par Li et al. [7] s’avère plus simple et plus efficace pour évaluer le comportement de l’interface PRF-béton sous charge de fatigue parmi tous les modèles existants. Il convient de noter que le modèle proposé a été développé à partir de données expérimentales limitées et qu’il est donc nécessaire de disposer d’un plus large éventail de données pour confirmer son efficacité.

Fig. 4. Courbes du modèle contrainte-glissement d’interface des spécimens du groupe B

Fig. 5. Courbes du modèle contrainte-glissement d’interface des spécimens du groupe C

Conclusion

Cette étude présente l’état des connaissances sur le comportement de l’interface PRF-béton sous charge cyclique de fatigue dans les structures en BA renforcées en cisaillement à l’aide de PRF-CS et les aspects connexes. Il a été démontré qu’un modèle d’adhérence contrainte-glissement d’interface fiable doit inclure les effets de la résistance du béton, de l’amplitude de la charge de fatigue, et du rapport de la largeur du PRF au béton. Les résultats discutés dans cette étude peuvent également aider les ingénieurs à mieux comprendre le comportement, et donc à améliorer la conception des structures en BA renforcées à l’aide de PRF-CS et sous charge cyclique de fatigue.

Complément d’information

Pour plus d’information sur nos recherches, consulter les articles suivants : Fathi A, El-Saikaly G, Chaallal O. On Bond-slip of EB-FRP/Concrete Interface in Shear Under Fatigue Loading: Review and Synthesis of Experimental Studies and Models. Journal of Civil Engineering and Construction. 2022;11:1-19.