Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Programme doctoral Structures, Institut de structures IS (Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages MCS)

Comportement structural des bétons de fibres ultra performants en traction dans des éléments composés

Wuest, John ; Brühwiler, Eugen (Dir.) ; Denarié, Emmanuel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3987.

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    Summary
    Ultra high performance concretes (UHPFRC) are characterized by a dense matrix and a high fibre content. These materials exhibit exceptional mechanical and durability properties making them an ideal material for rehabilitating existing structures. The primary interest in UHPFRC focuses on their uniaxial tensile performance. When they applied in a cast in place overlay configuration, they provide increased rigidity to the global element and localized protection to the steel reinforcement embedded in the concrete core during the service by minimizing surface cracking and inhibiting the diffusion of aggressive agents. At the ultimate state, and under certain configurations UHPFRC significantly improves the element's carrying capacity. The overall goal of this research is to study the UHPFRC tensile behaviour (hardening and softening behaviours) of characteristic test specimen and to apply this knowledge in analyzing the structural response of various composite elements. The objectives related to this study are: To determine the factors influencing the UHPFRC uniaxial tensile test specimen behaviour To illustrate the importance of UHPFRC tensile hardening and softening responses in UHPFRC structural plates and UHPFRC-reinforced concrete composite beams. To determine the rupture mechanism and overall contribution a UHPFRC overlay offers to a composite UHPFRC-reinforced concrete slab loaded to failure in flexural/punching shear. To study the parameters influencing the UHPFRC uniaxial behaviour in tensile composite structural elements. The behaviour of specimen with different configurations and compositions were studied in uniaxial tensile tests. The variables significantly influencing the fibre orientation were isolated by studying the fibre orientation at localized cuts in the various specimen. These controlling variables include: mixture viscosity, casting method, casting direction, fibre aspect-ratio and element geometry. Furthermore, a meso-level model was developed to predict the uniaxial tensile behaviour and was validated against the experimental test results. With the help of this model, the influence of the main fibre characteristics (Vf, Lf, df) on the resultant fibre orientation and matrix quality were examined. This model has determined that the extent of hardening does not increase linearly with the quantity of fibres but rather follows an asymptotic curve converging to a maximum possible hardening. A second model was developed to randomly orient and place fibres. This model has helped to explain the uniaxial tensile response variability of different mixtures ranging from conventional Fibre Reinforced Concrete (FRC) to UHPFRC. A finite element program has been employed to study the influence the UHPFRC softening behaviour has on the composite structural beam and UHPFRC plate responses. For a flexural plate (length 500mm, width 200mm, height 30mm), the bearing capacity was significantly increased by the very pronounced UHPFRC softening behaviour. Additionally, the UHPFRC layer noticeably increased the rigidity of the composite beam and slab. For example the UHPFRC layer increased the slab bearing capacity by 40% in comparison to a purely reinforced concrete slab by bridging the punching shear mechanism with a UHPFRC membrane effect. The structural responses of the two element types were then further analyzed using a finite element analysis program. An inverse analysis methodology was employed to obtain the UHPFRC tensile material laws in respective composite elements. These findings documented that a similar materials exhibited significantly different responses when applied in different applications. This analysis documents that the UHPFRC layer in a slab closely follows the uniaxial tensile test specimen response, while the UHPFRC layer in a composite beam exhibits a significantly reduced performance. The primary reasons for these variances are: the relative fibre distribution, the interface rugosity, the internal residual stresses and the extent of the maximum stress zone. Recommendations are made concerning the implementation of UHPFRC and the influence the fibre aspect ratio and volume (Vf, Lf, df) imposes on the resulting fibre orientation in different applications. Finally, a method for determining the UHPFRC characteristic curve which is required to design a composite UHPFRC-reinforced concrete element is presented.
    Résumé
    Les Bétons de Fibres Ultra Performants (BFUP) sont caractérisés par une structure compacte ainsi qu'un important dosage en fibres. Ceux-ci possèdent des propriétés mécaniques et de durabilité exceptionnelles rendant leur emploi très efficace lors de réhabilitation d'ouvrages existants (section composée : BFUP-béton armé). Le principal intérêt des BFUP coulés en place est leur comportement en traction uni-axiale. De plus, ces matériaux apportent à l'état de service une rigidité élevée et protègent les armatures se trouvant dans la section en béton armé contre les agents agressifs en minimisant la fissuration. A l'état ultime, le BFUP permet, en fonction de l'application envisagée, une augmentation significative de la capacité portante de l'élément. Le but général de cette recherche est d'étudier le comportement en traction (comportement écrouissant et adoucissant) dans des éprouvettes de caractérisation et d'appliquer ces connaissances afin d'analyser la réponse structurale de différents éléments composés. Les objectifs liés à cette étude sont: De déterminer les facteurs influençant le comportement en traction uni-axiale de BFUP dans des éprouvettes de caractérisation. D'illustrer l'importance du comportement écrouissant et adoucissant en traction du BFUP dans la réponse structurale de plaques fléchies ainsi que de poutres composées BFUP-béton armé. Pour une dalle composée soumise à un essai de flexion/poinçonnement : de déterminer l'apport de la couche de BFUP et d'analyser le mécanisme de rupture. D'étudier les paramètres influençant le comportement en traction uni-axiale dans des éléments structuraux composés. Le comportement en traction pour différentes compositions et géométries d'éprouvettes a été étudié à l'aide d'essais de traction uni-axiale. L'analyse de l'orientation des fibres à partir de coupes dans différentes éprouvettes a permis de mettre en évidence les effets pouvant influencer de manière significative l'orientation des fibres. Ceux-ci sont : la rhéologie du mélange, la méthode et la direction de coulage, l'élancement des fibres ainsi que la géométrie de l'éprouvette. Ensuite, un modèle au méso-niveau a été développé et validé avec les résultats d'essais afin de prédire le comportement en traction uni-axiale. A l'aide de ce modèle, on a ensuite étudié l'influence des principaux paramètres que sont : le fibrage (Vf, Lf, df), l'orientation des fibres et la qualité de la matrice. Ce modèle a permis de démontrer que l'étendue du domaine écrouissant n'augmente pas linéairement avec l'accroissement du dosage en fibres mais tend vers une valeur asymptotique. Un second modèle permettant de générer des fibres aléatoirement a été créé. Celui-ci a permis d'expliquer la variabilité des réponses obtenues en traction uni-axiale pour différents mélanges, allant des bétons de fibres conventionnels aux BFUP. A l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis, l'importance du comportement adoucissant sur la réponse structurale de plaques fléchies et poutres composées a été mise en évidence. Ainsi dans le cas de plaques fléchies (longueur 500 mm ; largeur 200 mm et hauteur 30 mm), la capacité portante est augmentée de manière significative par le comportement adoucissant très prononcé des BFUP. Dans les éléments poutres et dalle composées, le BFUP permet d'augmenter la rigidité de manière importante. De plus, il permet aussi, dans le cas de la dalle composée, d'accroître la capacité portante maximale de 40% en s'opposant au mécanisme de poinçonnement du béton-armé par un effet membranaire. La réponse structurale des deux types d'éléments a ensuite été étudiée à l'aide de programmes de calcul par éléments finis et les lois de traction obtenues par analyse inverse présentent des différences notables pour un même matériau. Ainsi la couche de BFUP se trouvant dans la dalle possède un comportement en traction proches des courbes d'essai de caractérisation tandis que celui des poutres composées est nettement plus faible. Les raisons principales sont : la distribution des fibres liée à la mise en place, la rugosité de l'interface, les autocontraintes et l'étendue de la zone de sollicitation maximale. On donnera des recommandations concernant les procédures de mise en oeuvre, le fibrage (Vf, Lf, df) tenant compte de l'orientation des fibres en fonction des différentes applications envisagées. Finalement, on proposera une méthode permettant de déterminer les courbes caractéristiques du BFUP nécessaire pour effectuer le dimensionnement d'ouvrages composés BFUP-béton armé.