Simulation numérique de poutres en béton armé renforcées
Provient des auteurs. Licence CC.
La rupture en cisaillement des poutres en béton armé (BA), particulièrement dans les poutres de grande taille, est le principal souci des ingénieurs. Les composites en polymères renforcés de fibres (PRF) collés en surface (externally-bonded, EB) pour augmenter la résistance en cisaillement des poutres en BA exigent certaines connaissances et expériences. En effet, ce type de poutre est plus à risque étant donné la probabilité d’une rupture prématurée de l’adhérence, le comportement complexe à l’interface entre les composites PRF et le substrat en béton, ainsi que les mécanismes de rupture du béton composé de matériaux non homogènes. L’objectif de cette recherche est d’approfondir nos connaissances, au moyen d’approches analytiques et par éléments finis (EF) (finis élément), sur le transfert de charge maximale exercée dans l’interface des différentes couches et ainsi sur la charge ultime supportée par les poutres en BA renforcées en cisaillement avec des composites en EB-PRF.
L’approche par éléments finis
Au cours des vingt dernières années, très peu d’études par EF ont été consacrées aux poutres en BA renforcées en cisaillement avec EB-PRF ou tout autre type de renforcement avec des matériaux composites [1] en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) [2,3]. De plus, en raison de l’absence de règles constitutives appropriées à l’époque, ces premières études par EF ne tenaient pas compte de l’interface de contact entre le béton et le PRF, et ne reproduisaient pas l’interaction entre le béton et l’armature en acier.
Figure 1. Poutre en BA renforcée en cisaillement avec EB-PRF, simulée dans ABAQUS, et interaction entre les principaux composants
Il a été établi qu’une augmentation de la taille de poutres conduisait à une diminution de la résistance au cisaillement en raison de l’effet d’échelle [4, 5, 6]. De nombreux paramètres, comme la rigidité des feuilles de PRF [7], influencent l’effet d’échelle, l’atténuant ou l’amplifiant en limitant la largeur de la fissure diagonale de cisaillement. Bien qu’il existe des études approfondies sur l’effet d’échelle des poutres en BA, les recherches consacrées aux poutres renforcées en EB-PRF sont peu nombreuses. L’analyse par EF peut remplacer les essais expérimentaux en donnant une vue intérieure de la variation du profil de la contrainte de cisaillement dans la couche de l’interface et la distribution des contraintes sur les fibres durant le chargement. L’analyse par EF remplace les essais expérimentaux de façon rentable et précise, à condition que les modèles soient simulés sur la base d’hypothèses fiables et logiques, et validés par des résultats expérimentaux.
Validation par essais expérimentaux
Essais expérimentaux sur poutres en béton renforcé avec composite
Neuf poutres en Té en BA sans étriers en acier, renforcées de EB-PRFC, ont été sélectionnées parmi les essais expérimentaux (poutres de contrôle et renforcées) réalisés par [7] pour étudier l’effet d’échelle par analyse EF. Cette étude a permis d’évaluer l’augmentation de la rigidité d’ EB-PRFC sur la résistance au cisaillement des poutres BA. Les détails de la géométrie, de la position de l’armature en acier et de la configuration du EB-PRFC sont illustrés à la figure 2. Les résultats se déclinent en : (1) réponses charge-déflexion ; (2) profils de déformation le long des fissures diagonales de cisaillement normalisées ; (3) profils de déformation dans la direction des fibres ; et (4) variation des profils de contrainte de cisaillement interfacial le long de la couche cohésive.
(a)
(b)
Figure 2. Détails des poutres : (a) Coupes transversales de poutres en T géométriquement similaires (mm) ; (b) Élévation typique et instrumentation interne
Évaluation par simulations les interactions avec étriers en acier
Le but de cette recherche étant de limiter les fissures dues au cisaillement dans le béton à l’aide des composites de EB-PRF, la première tâche consiste de localiser la région de la poutre où les fissures de cisaillement se produisent. Il est possible de définir la plasticité du béton endommagé dans ABAQUS (logiciel EF) pour visualiser le nombre et l’orientation des fissures. Par conséquent, cibler la zone dans la poutre en BA où les fissures de cisaillement se produisent permet d’optimiser la conception des composites de PRFC. En considérant la déformation plastique maximale dans le plan du béton, ABAQUS détermine la dégradation de la rigidité du béton, aidant ainsi à détecter le plan et l’orientation des fissures.
Figure 3. Propagation des fissures de flexion et de cisaillement dans une poutre en BA sous charge croissante
Pour ce qui est de l’interaction entre les étriers en acier interne et le béton dans ce spécimen, nous avons défini une couche cohésive à laquelle nous avons attribué la propriété du modèle d’adhérence (bond-slip) CEB-FIP (code de conception pour les structures en béton). Nous avons considéré l’adhérence entre les armatures de traction longitudinale et le béton comme parfaite afin d’évaluer exclusivement l’effet de l’interaction des étriers en acier. Pour cette comparaison, seuls les étriers situés dans la même zone que les bandes de PRFC ont été évalués (Figure 4).
Figure 4. (a) Distribution des contraintes de Von Mises sur l’armature en acier; et b) position des bandes de PRFC dans le même plan que l’étrier en acier
Validation du modèle
Comme indiqué précédemment, les essais expérimentaux réalisés par [7] ont servi à valider le modèle simulé. Les poutres à une et deux couches de renforcement et la poutre de contrôle comportaient des éléments de discrétisation de 5 mm, 10 mm et 10 mm pour les petites, moyennes et grandes poutres, respectivement. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux pour les trois tailles concorde pleinement.
Une seule fissure de cisaillement diagonale est apparue au centre de l’âme et s’est propagée vers la face inférieure de la poutre (support) et la face supérieure de la semelle (point d’application de la charge) dans les poutres de contrôle pendant les essais expérimentaux sur les petites, moyennes et grandes poutres. L’angle de fissure le plus important, comme le montre la figure 5, se situait au point médian des poutres, et diminuait progressivement à mesure que la fracture se déplaçait vers le support et le point d’application de la charge. Les fissures prédites par l’analyse numérique correspondent aux résultats expérimentaux obtenus (figure 5 a-c).
Figure 5. Configuration de fissure prédite par analyse EF comparée à celle des essais expérimentaux sur la poutre de contrôle (état ultime) : (a) S.0L.Con ; (b) M.0L.Con ; et (c) L.0L.Con
Conclusion
Cette recherche a porté sur la modélisation avancée par EF des poutres en BA renforcées de EB-PRFC pour étudier l’effet d’échelle sur la résistance au cisaillement. Les résultats obtenus par analyse EF concordaient avec les résultats expérimentaux. Neuf poutres en Té en BA ont été simulées dans ABAQUS, dont trois poutres de contrôle et six poutres renforcées en cisaillement au EB-PRF. Lorsque les hypothèses sont bien définies, les résultats du modèle de la simulation numérique obtenus montrent qu’il est possible de déterminer avec précision le patron des fissures diagonales de cisaillement des poutres en Té en BA renforcées de EB-PRF par analyse EF.
Complément d’information
Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant : Abbasi, A., Benzeguir, Z. E. A., Chaallal, O., & El-Saikaly, G. (2022). FE modelling and simulation of the size effect of RC T-beams strengthened in shear with externally bonded FRP fabrics. Journal of Composites Science, 6(4), 116.
