17 décembre 2024
Sommaire
La rupture en cisaillement des poutres en béton armé (BA) présente un risque important dans la construction, menant souvent et sans avertissement à des ruptures soudaines et catastrophiques.
Ce problème a suscité des recherches continues en vue d’améliorer la résilience des structures en béton. Une étude récente menée par une équipe de recherche de l’École de technologie supérieure (ÉTS) examine les interactions entre les étriers en acier typiques et les polymères renforcés de fibres de carbone collés en surface (PRFC-CS). L’étude vise à comprendre pour mieux prévoir leurs effets combinés sur la résistance au cisaillement.
Introduction : La rupture en cisaillement du béton, un défi
Cette étude porte sur la rupture en cisaillement des poutres en BA, notamment sur la contribution des polymères renforcés de fibres de carbone collés en surface (PRFC-CS) et leur interaction avec les étriers internes en acier. Les méthodes de conception actuelles ne tiennent pas suffisamment compte de l’interaction inverse entre les étriers en acier et les PRFC-CS, menant à des prédictions imprécises sur la résistance au cisaillement. Grâce à des essais expérimentaux et numériques, notre recherche vise à développer des modèles analytiques et numériques. Ces modèles tiennent compte de cette interaction et démontrent que la contribution au cisaillement des PRFC-CS diminue à mesure que la proportion des étriers en acier augmente. Nous avons développé un modèle analytique sur la base de modélisation par éléments finis portant sur la déformation effective du PRFC, validé par des données expérimentales. Les résultats mettent en évidence l’effet de cette interaction sur la configuration des fissures de cisaillement, le comportement charge-déplacement et les profils de déformation. Ils fournissent des prédictions plus précises sur la résistance au cisaillement dans les poutres renforcées en BA.
La résistance au cisaillement des poutres en BA
Les poutres en béton, bien que résistantes à la compression, peuvent se rompre de manière prompte et sans signe précurseur lorsqu’elles sont soumises à des forces de cisaillement. Cette fragilité peut être particulièrement dangereuse. Aussi, les chercheurs en ingénierie sont activement à la recherche de méthodes plus fiables pour améliorer la capacité de résister au cisaillement de ces structures. L’étude met en évidence une omission importante dans les méthodes de conception existantes. En effet, ces méthodes ne tiennent souvent pas compte des interactions complexes entre les différents matériaux de renforcement, en particulier de la relation inverse entre les étriers en acier internes et les PRFC-CS.
L’analyse de l’interaction inverse
Notre étude a révélé qu’à mesure que la quantité de PRFC-CS utilisée dans une poutre augmente, sa contribution à la résistance au cisaillement peut en fait diminuer par rapport à la contribution des étriers en acier. Cette constatation contre-intuitive suggère que le simple fait d’ajouter plus de composites à base de fibres de carbone ne permet pas toujours d’obtenir de meilleures performances. L’équipe de recherche propose un nouveau modèle qui tient compte de cette interaction inverse et permet de prédire avec plus de précision la résistance au cisaillement. Les détails de la géométrie, de la position de l’armature en acier incluant les étriers et de la configuration PRFC-CS sont présentés dans la figure 1.
Figure 1. Détails de la poutre : (a) Sections transversales d’une poutre géométriquement similaire (mm) ; (b) Élévation typique et instrumentation interne
La modélisation par éléments finis (EF) suggérée
Cette section explique nos simulations numériques pour analyser le comportement des poutres en béton renforcées avec des panneaux de PRFC. L’objectif était de modéliser avec précision l’interaction entre le béton, l’armature en acier et le PRFC, en particulier lorsque des fissures se forment et que les matériaux se fusionnent. Pour améliorer la simulation, nous avons appliqué un modèle bidimensionnel (2D), particulièrement sur des zones clés comme le béton, la structure de support et les couches d’interface entre le béton et le PRFC ou l’acier. Dans le modèle, des éléments 2D simples représentent les panneaux de PRFC et les barres d’acier. Pour garantir le bon fonctionnement de la simulation, nous avons conçu notre modèle de façon à traiter des questions, telles que la fissuration du béton et le glissement des matériaux après rupture. Nous avons également tenu compte des facteurs, tels que la manière dont la charge est appliquée, la vitesse de chargement et autres paramètres afin d’obtenir des résultats précis. La figure 2 représente le modèle par éléments finis de la poutre simulée.
Figure 2. Simulation ABAQUS 2D de poutres en béton armé et de leurs éléments définis
Les approches innovantes pour développer le modèle
La recherche a porté sur des analyses et des tests approfondis pour développer des modèles analytiques et numériques qui tiennent compte de cette interaction inverse. En examinant plus de 100 études antérieures, nous avons pu cerner des modèles et des relations qui permettent de prédire plus efficacement le comportement des poutres en BA sous des charges de cisaillement. Les conclusions révèlent l’importance de comprendre comment les différents matériaux fonctionnent ensemble, plutôt que de les traiter comme des entités isolées.
La validation du modèle EF proposé
Pour tester la précision de la simulation, deux poutres provenant d’une étude antérieure ont été utilisées : une poutre normale et une poutre renforcée à l’aide de PRFC-CS. On a comparé les résultats de la simulation aux données expérimentales. Ensuite, après avoir confirmé la précision du modèle, une autre étude a exploré l’interaction entre les renforts internes en acier et externes en PRFC des poutres en béton, lorsque renforcées par des panneaux de PRFC en forme de U. Les deux poutres se sont rompues parce qu’elles avaient perdu leur capacité de résister aux forces de cisaillement. La poutre renforcée présentait des signes de décollement, là où le PRFC se détachait du substrat en béton. La simulation a pu prédire une déformation et une charge de cisaillement dans les poutres très proches des résultats expérimentaux. Par exemple, la force de cisaillement prévue dans la poutre normale était supérieure de 4,2 % à celle de l’essai réel, et la force de cisaillement dans la poutre renforcée était supérieure de 10 % dans la simulation. Au fur et à mesure que le rapport entre le PRFC et les étriers en acier augmentait, les fissures de cisaillement devenaient plus répandues. Les images du modèle simulé, à la figure 3, illustrent les propagations des fissures dans les deux poutres. Pour assurer la fiabilité de la simulation, on a testé différentes tailles de mailles, et une maille de 10 mm a donné les résultats les plus précis. Cette taille avait été validée dans des études antérieures, ce qui confirme la robustesse de la simulation.
Figure 3. Propagation des fissures de cisaillement dans une poutre en BA renforcée de RFC-CS, en fonction de l’augmentation du rapport entre les RFC-CS et les étriers en acier
Les principales conclusions et leurs implications
La recherche indique que l’augmentation du rapport entre le PRFC-CS et les étriers en acier pourrait diminuer la contribution des fibres de carbone à la résistance au cisaillement. Cette découverte est cruciale pour le monde de l’ingénierie qui conçoit des structures en béton armé, car elle remet en question la perception conventionnelle selon laquelle il est toujours préférable d’avoir plus d’armatures. En permettant de mieux comprendre comment ces matériaux interagissent, l’étude vise à améliorer la sécurité et les performances dans les applications réelles.
Éléments visuels
L’inclusion d’images pertinentes, telles que des diagrammes de rupture par cisaillement, des photos d’applications PRFC-CS ou des représentations graphiques du processus de recherche, renforcera la compréhension et l’intérêt des lecteurs. Ces aides visuelles peuvent clarifier des concepts complexes et découper le texte pour en faciliter la lecture.
Conclusion : un pas vers des structures plus sûres
Cette recherche contribue grandement au domaine de l’ingénierie de la construction en mettant en lumière les interactions complexes entre les méthodes de renforcement traditionnelles et modernes. En perfectionnant les modèles utilisés pour prédire la résistance au cisaillement, on pourra concevoir des structures en béton plus sûres et plus efficaces. Alors que nous continuons à innover dans le domaine de la science des matériaux, la compréhension de ces interactions sera essentielle pour développer des solutions robustes qui résisteront à l’épreuve du temps.
Informations complémentaires
Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant : Abbasi A, Chaallal O, El-Saikaly G. Inverse interaction of shear between steel-stirrups and externally bonded carbon fiber-reinforced polymers in shear-strengthened reinforced concrete beams: Analytical and numerical models. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2024 June 5:07316844241254571.
Références
Mofidi, Amir, et Omar Chaallal. 2010. « Shear strengthening of RC beams with EB FRP: Influencing factors and conceptual debonding model ». Journal of Composites for Construction, vol. 15, no 1, p. 62-74.
Référence de l’image d’en-tête
Provient des auteurs. Licence CC.
Référence des images
Toutes les images sont fournies par les auteurs. Licence CC.
