Béton renforcé de fibres métalliques ( BRFM) : un … · Semelles de fondation Radiers ... Du matériau au calcul de structure 1 Caractérisation 2 Classes de performance 3 Lois

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GBB Event 05/06/2014 – Château de Namur

Béton renforcé de fibres métalliques ( BRFM) : un matériau mature pour une vocation structurale ?

ir. B. ParmentierDivision Structures

CSTC

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design 2/62

3

Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

1969

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2001

50 kg/m³

6 cm

Océanographic Museum (Valencia, Spain)Architect : F. Candela

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Le BRFM en Belgique ... 3%

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Pas toujours économique

Pourquoi pas davantage en structure ?

Béton avec armatures : s = 0,45% (80g)

BRFM (80 kg/m3) : s = 1,00% (240g)

Walraven (2007)

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Pour la mêmecharge ultime

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« (...), ceci conduit à utiliser des taux homéopatiques de fibres, en l’occurrence entre 15

et 30kg/m³ de béton »— Pierre Rossi, LCPC

Technologique (Ouvrabilité délicate au-dessus de 60 kg/m³ de fibres élancées)

Pourquoi pas davantage (avant) ?

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Dosage vs. Performance

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GBB Event 05/06/2014 – Château de Namur

Est-ce

fiable ?

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X 3

12 éch.20 kg/m³même fibre

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Le béton renforcé de fibres est…

Discontinu

Distribué de manière homogène

3D

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Le BRFM « courant », c’est…

0,25% à 1% en volume de fibres (acier)

25 à 80 kg/m³

Résistance mécanique améliorée

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Applications

Poutres

Voiles

Planchers-dalles

Semelles de fondation

Radiers

Dallages sur terre-plein

Dallages sur pieux

Béton projeté

Dalle de compression

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Walraven (2007)

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A) Propriétés géométriques (L – Ø – )

Quelles fibres (pour BRFM courant) ?

L : 30 à 60 mm

Ø : 0,40 à 1,00 mm

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Ancrage d’extrémité

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Quelques fibres…

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A) Propriétés géométriquesB) Propriétés mécaniques (fil acier entre 850 et 2000 MPa)

Quelles fibres ?

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Synthétique

Acier

17


Fonctionnement du BRFM

Couture des fissures

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Propriété mécanique Effet

Résistance à la compression (pic)

Résistance au cisaillement

Résistance au fendage

Résistance à la flexion

Résistance à la flexion résiduelle (énergie)

Impact

Fatigue

Propriétés modifiées par les fibres

/

/

/

+

+

+

+

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Résistance à la flexion résiduelle (énergie post-fissuration)

Flexion sur système statique déterminé

Load

Crack opening

Béton armé traditionnel

Béton fibres acier

Béton non armé

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Importance de l’élancement () de la fibre

= L/Ø

Plus la fibre est longue et plus elle est extraite difficilement de la matrice (pull-out)

Plus le diamètre est faible et plus il y a de fibres par m³ et meilleure est la distribution

Même élancement

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Back from …1960-1980

1980…Test methods todetermine SFRC

performance:JSCE-SF4 (1983)

ASTM C 1018

1995Dramix GuidelineDesign of concrete

structures: steel wirefibre reinforced

concrete structureswith or without

ordinary reinforcement(Belgian initiative:

Bekaert, UGent, KULeuven, WTCB)

2003Rilem TC162-TDFTest and design

methods for steel fibrereinforced concrete

(International group of Universities)

National standards on beam test:

DBV, CUR, NBN, NF, UNE, ….

National Design Recommendations

ACI 318 Building Code contains definition of structural SFRC forshear reinforcement

2008

2012FIB TG 8.3. Design of

FRC structuresModel Code containsfibre concrete for first

time

EC2 Building CodeKick-off meeting on

Oct, 30, 2012

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Du matériau au calcul de structure

1Caractérisation

2Classes de performance

3Lois constitutives

4Résistances de calcul

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Méthodes d’essai (principales)

Traction directe(RILEM)

Flexion 3 points(EN 14651)

Flexion dalles rondes(ASTM C1550)

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EN 14651

BEFIM HSC

BEFIM

EN 14651 HSC

NBN B15-238

NBN B15-238 HSC

Round Panel HSC

Round Panel

23.7%

22.1%

18.0%

15.9%

8.8%

8.5%

7.6%

4.3%

Contrainte résiduelle@2,15/5mm 30kg/m³

Variabilité propre aux méthodes d’essaiLes essais isostatiques sur petits échantillons présentent la plus grande variabilité

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Valeurs caractéristiques

fRk = fRm – k.s

fRk / fRm 0.50

Pour 12 échantillons testés en flexion 3 points (COV = 25%) :

n 1 2 3 4 5 6 8 10 12 20 30

Vx, known2.31 2.01 1.89 1.83 1.80 1.77 1.74 1.72 1.71 1.68 1.67 1.64

Vx, unknown- - 3.37 2.63 2.33 2.18 2.00 1.92 1.87 1.76 1.73 1.64

[ k = t(=n-1,p).(1/n+1)1/2 ]

Réf. : EN 1990 Table D1

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fRk / fRm 0.75

Pour 4 échantillons testés en flexion sur dalles rondes (COV = 10%) :

25% de gain !

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1Caractérisation


3Lois constitutives


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Si simple ?Classes de performance…

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Classes de performance

Caractérisation flexion 3 points (EN 14651)

hsp = 125mm

fR1

fR3L = 500 mm

0,5 1,5 3,52,5

Crack opening [mm]

LOAD

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Classes de performance

Proposition de classification MC2010

Classe 2a

a : 0.5 < fR3,k/fR1,k < 0.7

b : 0.7 ≤ fR3,k/fR1,k < 0.9

c : 0.9 ≤ fR3,k/fR1,k < 1.1

d : 1.1 ≤ fR3,k/fR1,k < 1.3

e : 1.3 ≤ fR3,k/fR1,k

2.0 ≤ fR1,k ≤ 2.5

1.01.52.02.53.04.05.06.07.08.0…

fR1,k [MPa]

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Applications structurales

Remplacement total ou partiel des armatures traditionnelles aux ELU

Strength Stand. dev.

fL,m4.1 0.31

fL,k 3.5

fR1,m2.9 0.5

fR1,k 2.0

fr3,m2.3 0.6

fR3,k 1.2

n=12Classe 2a

fR1,k/fLk > 0.4

fR3,k/fR1,k > 0.5

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1Caractérisation


3Lois constitutives


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Lois constitutives

RILEM TC 162-TDF (2003) => approche « section »

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Loi constitutive en traction uniaxiale

Approche expérimentale via essais de traction directe

0 0.4 0.8 1.20

2

4

6fct

Stress [MPa]

Crack opening [mm]

(1,w1)

(2,w2)

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Approche expérimentale via analyse inverse

Load [kN]

Mid-span deflection [mm]

----- IAStress [MPa]

Test___

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Approche « normative » MC2010 :

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Approche « normative » MC2010

. .

.

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OU

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Loi constitutive

Approche « normative » MC2010

?

?

1

2

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Passage au diagramme

Longueur structurale caractéristique (lcs)

,

Si pas d’armatures

1

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Ouverture de fissure ultime

. , . 2

Glissement des fibres (dépend de leur géométrie)

2% distribution variable des déformations dans la section

1% traction pure

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1Caractérisation


3Lois constitutives


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Fiabilité

Coefficients partiels de sécurité

Coeff. sécurité

BRF en compression Cfr. béton non armé

BRF en traction (LOP) Cfr. béton non armé

BRF en traction (Résistance résiduelle) . *

(*) F = 1.3 si mesures de contrôle spéciales

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Fiabilité

Influence de l’orientation , ⁄

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L. Ferrara et al. (2010)

30 mm

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Fiabilité

Coefficient de redistribution

.

,

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La résistance ultime de la structure calculée sur base d’essais de labo est augmentée par le facteur KRd

Charge max.

Charge de fissuration

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Fiabilité

Influence de l’épaisseur

Ref. : Recommandations RILEM TC 162-TDF

→ .

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Epaisseur de l’élément réel

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ELU - Ductilité

Conditions de ductilité à vérifier si pas d’armatures traditionnelles minimales (MC2010) :

P

PU

UPEAKSLS

Displacement

SLSP

Load

MAX

P

crack formationPCR

SLS peak u

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ELU – Flexion et/ou compression axiale

Relation contrainte-déformation simplifiée MC2010

Déformation max en compression Déformation maximale de l’acier Déformation maximale du BRF

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ELU – Flexion dalles (MC2010)

.

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ELU – Effort tranchant (MC2010)

Résistance à l’effort tranchant conféré par les fibres- Avec armatures longitudinales mais sans étriers :

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ELS (MC2010)

Calcul ouverture de fissure (avec arm. traditionnelles)

dw )(1)(

2

1

,srrsrs

sbm

tsmFctm

efs

s EE

ff

σsr = (fctm – fFtsm) . (1 + αe.ρs) / ρs,eff

Avec…

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ELS (MC2010)

Armature minimale (As,min)

s

ctFtsmctmcs

AffkkA

)(min,

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Recap

Méthodes d’essai présentent une variabilité différente Lois constitutives admises par le MC2010 Approche fiabilité au sens EC2 Redondance structure réelle importante

par rapport aux essais labo Influence mise en œuvre (surtout pour éléments minces) Nouveaux développements

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Mature : OUI, mais pas pour toutes les applications toujours pertinent du point de vue technico-économique.

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BBRI - Lab. Structures [email protected]

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