Développement d’un modèle d’interface acier-béton à haute température

L’étude de la tenue au feu des structures et des ouvrages est un axe de recherche majeur en génie civil depuis une vingtaine d’années. L’impact important de la ruine d’ouvrages sur les aspects humains et matériels ont stimulé cette recherche. Les connaissances obtenues dans ce domaine au niveau mondial sont aujourd’hui très importantes. Elles contribuent efficacement à la sécurité des personnes et des ouvrages lors incendie. Cependant, il y a encore des questions difficiles à résoudre pour optimiser la conception des ouvrages et la sécurité.

Dans le thème de recherche « comportement des structures en béton armé et en béton précontraint exposées au feu », il y a des questions qui ne sont pas encore bien résolues. On peut citer ici deux questions importantes :
– Premièrement, les connaissances sur le comportement de l’interface béton-acier à haute température et son impact sur le comportement de la structure ne sont pas encore suffisants.
– Deuxièmement, les logiciels de calcul standard ont une difficulté dans la modélisation du comportement des structures en béton armé et en béton précontraint au feu. En effet, sous l’action du feu, il y a des phénomènes complexes qui se produisent : l’écaillage du béton aux surfaces exposées, la dégradation des propriétés des matériaux et de l’interface bétonacier en fonction de la température, l’apparition de contraintes thermique dans la structure. De plus, le comportement du béton qui est à la fois élastique, plastique et endommageable n’est jamais facile à simuler. Toutes ces caractéristiques provoquent une grande difficulté dans la modélisation. Jusqu’à maintenant, seuls quelques logiciels spéciaux donnent des résultats satisfaisants mais ce sont des produits développés en interne dans les laboratoires et leur capacité est limitée à quelques types de structure.

Comportement de l’interface : c’est la relation entre la contrainte transférée et le déplacement relatif de la face du béton par rapport à celle de l’armature dans les directions tangentielle et radiale :
– Contrainte d’adhérence et glissement dans la direction tangentielle
– Contrainte normale et ouverture/pénétration entre la face de béton et celle d’acier dans la direction radiale Ces contraintes résultent des interactions mécaniques entre les deux matériaux béton et acier.

Les lois de comportement de l’interface sont nécessaires pour intégrer l’impact de l’interface dans la modélisation des structures. La relation la plus importante pour décrire le comportement de l’interface est celle entre la contrainte tangentielle et le glissement relatif de l’armature.

Rôle de l’interface
L’interface a pour rôle de permettre le transfert des efforts entre le béton et l’acier. Elle assure le bon fonctionnement de l’ensemble des deux matériaux afin d’obtenir la capacité portante de la structure.

Dégradation de l’interface
C’est la dégradation de la zone du béton autour de la barre d’acier qui entraîne une diminution ou une perte de l’adhérence et une augmentation du déplacement relatif entre le béton dans la structure et l’armature.

Mécanismes intrinsèques de l’interface
Dans le but d’étudier l’impact de l’interface sur le comportement de la structure, seules les armatures actives sont considérées. Ainsi, on ne va s’intéresser qu’aux armatures de haute adhérence (HA) dans les structures en béton armé. Les armatures lisses ne sont pas considérées dans cette étude.

Les recherches sur les mécanismes intrinsèques de l’interface ont été réalisées depuis longtemps au travers d’études expérimentales et numériques. Elles ont pour but de déterminer :
– Les mécanismes de transfert des contraintes au niveau de l’interface.
– Les causes et l’évolution de la dégradation du béton dans la zone de l’interface.
– La taille de la zone d’activation de l’interface.
– Les paramètres mécaniques et géométriques influençant le comportement de l’interface.
– L’influence de l’endommagement de l’interface sur la rupture de la structure.

Goto a employé un spécimen de forme parallélépipédique. Sa section est de 100 x 100 mm² et sa longueur est de 1 m. Au milieu, il a placé une barre nervurée standard de 19 mm de diamètre. Les deux extrémités de la barre d’acier ont été soumises aux efforts de traction jusqu’à un chargement maximal dont la valeur se rapproche du seuil de résistance de l’acier. Deux conduits ont été placés parallèlement à l’axe de la barre d’acier pour injecter de l’encre dans les fissures. Après le déchargement, le spécimen a été scié longitudinalement afin  d’examiner la distribution des fissures internes.

Cette étude fournit plusieurs informations qualitatives sur la configuration des réseaux de fissures internes dus à l’activation de l’interface. Ce sont les fissures internes transversales qui causent l’endommagement du béton et diminuent la rigidité de l’interface alors que les fissures internes longitudinales qui se développent entraînent le fendage des éprouvettes.

Quand on applique des forces de traction aux deux extrémités de la barre, il y a tout d’abord des fissures transversales nommées fissures primaires qui divisent l’éprouvette en quelques petits tirants (sous-tirants) dont la longueur est environ de 25 cm. Ces fissures sont dues à la faible résistance de traction de la barre de béton.

Ensuite, on ne voit pas de nouvelles fissures primaires qui apparaissent parce que la longueur de 25 cm de chaque segment n’est pas suffisante pour que la contrainte dans le béton dépasse sa résistance en traction. Pendant cette période, l’interaction entre le béton et l’acier au niveau de l’interface entraîne la formation de fissures internes transversales autour de la barre. Ces fissures internes se trouvent le plus près des surfaces libres aux deux extrémités de chaque petit tirant (sous-tirant). Elles forment un réseau de fissures internes avec une inclinaison moyenne de 60°. Plus le chargement augmente, plus les fissures internes se développent. Enfin, il y a des fissures transversales secondaires qui atteignent les surfaces extérieures de l’éprouvette.

L’interaction mécanique entre le béton et l’acier provoque aussi des contraintes de traction circonférentielle. Si le béton n’est pas capable de résister à ce type de traction, les fissures internes longitudinales se formeront tout d’abord aux surfaces libres des fissures primaires et se développeront radialement et longitudinalement pour provoquer la rupture longitudinale de l’enrobage.

Il s’agit de coller une grille de Moiré ayant 40 lignes par millimètre sur la surface de l’éprouvette. Une autre grille dite de « référence » non déformable a été posée sur la première grâce à un mince film d’huile de paraffine permettant une adhésion parfaite. Des photos ont été prises au cours de l’essai.

Avec cette technique, l’auteur a pu visualiser la micro-fissuration et le glissement relatif le long de la barre. En se basant sur les résultats obtenus, Gambarova et al. [2] ont prouvé l’importance de l’écrasement du béton devant les nervures dans l’augmentation du glissement relatif de l’interface. L’impact de l’écrasement est encore plus grand dans les essais d’arrachement.

Contrairement à l’essai de tirant, l’état contrainte-déformation dans la zone d’interface pour l’essai d’arrachement est dû non seulement à l’activation de l’interface mais aussi à la condition limite (réaction des appuis sur la surface inférieure du béton). Donc, on n’utilise pas cet essai pour observer les phénomènes intrinsèques au cours de l’évolution du comportement de l’interface. Cependant, avec un enrobage suffisamment grand, cet essai présente bien l’état ultime de l’interface : rupture cylindrique par extraction de la barre d’acier. Ainsi, les observations obtenues sur la ruine dans cet essai nous permettent d’identifier les phénomènes intrinsèques responsables de la diminution de la résistance et de la ruine de l’interface.