Comportement dynamique du béton

Le béton est le matériau le plus utilisé pour la construction d’ouvrages en Génie Civil. Cependant la connaissance de son comportement en dynamique rapide reste limitée. Le béton est un milieu hétérogène, son comportement est complexe à analyser. Plusieurs auteurs ont proposé des lois de comportement avec un degré de complexité plus ou moins élevé pour prédire son comportement en dynamique rapide. L’objectif de ce chapitre est de tirer des conclusions utiles pour notre travail. Une revue des moyens expérimentaux permet de mieux comprendre le comportement mécanique de matériau en tenant compte de l’effet de vitesse. Si le béton est un matériau de construction couramment utilisé, son comportement en dynamique rapide est relativement mal connu. Ce problème est d’autant plus important que les structures en béton sont de plus en plus soumises à ce type de sollicitation. Nous pouvons par exemple citer: l’impact de véhicule sur des ouvrages d’art, le crash d’avion sur une centrale nucléaire, les explosions liées à des actes accidentels ou terroristes et les applications militaires. Les moyens expérimentaux à mettre en œuvre varient en fonction de la vitesse à atteindre et nécessitent des dispositifs différents.

Aussi; il est difficile de connaître les caractéristiques d’un même béton sur toute l’étendue de la gamme de vitesse de sollicitation mentionnée. Historiquement, les essais dynamiques sur le béton ont consisté, dans un premier temps, à pratiquer des essais de compression classiques sur machines hydrauliques, mais en faisant varier la vitesse de sollicitation. Cependant la manière la plus courante de caractériser le comportement dynamique du béton en compression repose sur des essais aux Barres de Hopkinson [1]. Les essais réalisés par Bischoff et Perry [3] montrent que la résistance apparente du béton augmente avec la vitesse de sollicitation, comme c’est illustré dans la figure 1.2. Il est classique d’exprimer (surtout dans le cas d’une synthèse d’essais sur des bétons différents) 1) Si les vitesses de sollicitation sont comprises entre 10−4 et 10 s−1: l’augmentation de résistance est faible, dans ce cas on peut exprimer l’accroissement de résistance comme une fonction linéaire du logarithme de la vitesse. L’essai sur barre d’Hopkinson modifié [1] ne permet pas d’atteindre les mêmes vitesses de sollicitation qu’en compression et ce pour la simple raison qu’il faut augmenter la vitesse et endommager d’abord l’éprouvette en compression (et non en traction).

Ainsi la L’effet de la vitesse de sollicitation est beaucoup plus sensible en traction qu’en compression (la résistance est multipliée par 14 au lieu de 3 en compression). Comme il a été indiqué précédemment, certains auteurs ont exprimé cet effet de vitesse comme une fonction bilinéaire, mais il semble qu’une loi puissance soit également bien adaptée (Figure 1.4). est faible, la limite de vitesse dans ce premier régime est 10 fois plus importante en compression qu’en traction (10 s−1 contre 1 s−1). Dans cette gamme de vitesse, l’effet de Egalement, une interprétation de ce phénomène a été illustrée par Rossi [28]. L’idée est que si toute l’eau contenue dans les pores de la matrice cimentaire est évaporée, alors quasiment il n’y a aucun effet de vitesse, voir la Figure 1.5. D’après [5], cette observation a été faite aussi bien en traction qu’en compression. Aussi il a été déduit que la sensibilité du béton à la vitesse de sollicitation dans la gamme de vitesse considérée est directement reliée à la présence d’eau libre dans le béton. Cette eau se trouve sollicitée comme un fluide visqueux par le déplacement rapide des parois des pores.

La contrainte macroscopique appliquée au matériau béton se trouve donc reprise au sein de la microstructure d’une part par le squelette mais aussi par des contraintes visqueuses au sein du fluide. On appelle ce phénomène « l’effet Stefan », il est représenté dans la figure 1.6 (a). Pour le second régime, les effets visqueux liés à la présence d’eau dans les pores ne suffisent plus à expliquer l’effet de vitesse. Même si une différence persiste entre les bétons secs et les bétons humides, il existe bien un effet de vitesse pour les bétons secs qui n’est donc pas lié à la présence d’eau, tel que c’est indiqué par la figure 1.6(b). L’effet de vitesse est donc la conséquence d’au moins deux phénomènes : les effets visqueux et au moins un autre qui n’est visiblement pas le même en traction et en compression. En compression, une interprétation possible est en effet la participation des effets d’inertie. Quand le béton est sollicité dynamiquement en compression, il a tendance à vouloir s’étendre latéralement. Les forces d’inertie limitent cette extension et confine alors le béton (Figure 1.7). Comme en quasi-statique, le confinement permet d’accroître la résistance du béton [5].