Département de génie civil

Déformabilité et capacité portante des colonnes en béton armé

Dal Busco, Serge ; Favre, Renaud (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1988 ; no 734.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    For buildings which are stabilized by core or shear walls, the vertical members are generally subjected to compressive normal forces N and certain imposed angles of rotation θ. Similar in this respect are non slender bridge piers. These rotations originate from, on one hand, the length variations of the horizontal elements (beams, slabs) due to shrinkage, temperature and prestressing, while on the other hand the bending of these elements due to the vertical loading. Thus, in this case, it is a problem of imposed deformations. However, the usual methods of calculation do not take this fact into account and bring the computation back to a question of forces. In this case, the design is mostly based on the resistance of individual sections, with the use of moment-axial load interaction diagrams MR-NR. In this thesis, a different method is proposed which takes account of the problem of imposed deformations, which concerns equally well the real behaviour of the structure. This proposal is limited to the cases where the slenderness ratio λcr is less than or equal to 50 (λcr ≤ 50). The analysis of a column is carried out considering the vertical load N and the imposed end rotations θ, due to the interaction of horizontal load carrying members. This method allows one to create structures with a greater performance, thanks to the larger distance between expansion joints and to a reduction in the overall dimensions of the columns. This equally has the consequence that the columns are almost always able to be fixed ended by the horizontal members, thus permitting a reduction in their slenderness λcr and which eliminates the costs of the hinge devices. However, it is mostly necessary to resort to high percentages of reinforcement to transmit the elevated vertical loads. This concept of the association of N and 0 is applied to both the examination of the ultimate limit state (loading capacity and deformability) and to serviceability (aptitude of service). The first verification consists of assuring that the column possesses the required deformability to permit the imposed rotations, while transferring the normal force, with the required security. It is possible to obtain this by using adequate transverse reinforcement at the fixed ends of the column, in such a fashion that plastic hinges would be able to form there. The first part of this work concentrates on the development of a method which allows the determination of the characteristics of such a transverse reinforcement (shape and configuration, spacing and diameter of stirrups), as well as an investigation of the numerous parameters influencing the behaviour of columns at the ultimate limit state. In the second part, an explanation is given on how to control the behaviour of a column, when it is subjected to service loading and imposed rotations, in order to verify its serviceability. This explanation takes into account the nature of the rotations, caused by the variations in temperature or by long term phenomena, such as shrinkage and creep. Its application is easy as it is given in the form of charts. Finally, a method for the practical cases is proposed to the designer. It contains the notes and charts to design and verify reinforced concrete columns with different levels of reinforcement.
    Résumé
    Dans le cas des bâtiments stabilisés dans le sens horizontal par des refends ou des noyaux, ainsi que dans celui de ponts à piles peu élancées, les éléments verticaux sont essentiellement sollicités par un effort normal de compression N et des angles de rotation θ imposés. Ces derniers proviennent d'une part de variations de température et de la précontrainte et, d'autre part, de la flexion de ces mêmes porteurs due aux charges verticales. Il s'agit donc dans ce cas d'un problème de déformations imposées, mais les méthodes usuelles de calcul n'en tiennent généralement pas compte et le ramènent au niveau d'un problème de forces. Dans ce cas, le traitement se fait par le biais de la résistance des sections, le plus souvent à l'aide de diagrammes d'interaction MR-NR. Dans ce travail, on propose une méthode différente qui tient effectivement compte qu'il s'agit d'un problème de déformations imposées et qui cerne ainsi mieux le comportement réel des éléments de structure. Elle est limitée aux cas où l'élancement λcr est inférieur ou égal à 50. L'analyse de la colonne se fait avec l'effort normal N et les rotations θ imposées à ses extrémités résultant de l'interaction avec les porteurs horizontaux. Cette méthode permet de concevoir avec une grande souplesse des ouvrages plus performants grâce à des joints de dilatation plus espacés et à une diminution de la section des colonnes, en évitant le non-sens qui consiste à les renforcer inutilement lorsqu'on prend en compte des moments dont on n'est pas tributaire. Cela a également pour conséquence que les colonnes peuvent être presque toujours encastrées dans les porteurs horizontaux permettant ainsi de réduire leur élancement et de renoncer à de coûteux dispositifs d'articulation. Par ailleurs, on a avantageusement recours à de hauts pourcentages d'armature pour transmettre des charges verticales élevées. Ce concept associant N et θ est appliqué à la fois à la vérification de l'état-limite ultime (capacité portante et déformabilité) et à celui d'utilisation (aptitude au service). La première vérification consiste à assurer que la colonne possède une capacité de déformation suffisante pour lui permettre de subir des rotations imposées tout en transmettant l'effort normal avec la sécurité requise. Ceci peut être obtenu en disposant une armature transversale adéquate aux extrémités encastrées de l'élément, afin que des rotules plastiques puissent s'y former. La première partie de ce travail est consacrée à l'élaboration d'une méthode permettant de déterminer les caractéristiques d'une telle armature (forme et configuration, espacement et diamètre des étriers) ainsi qu'à l'étude des nombreux paramètres influençant le comportement d'une colonne à l'état-limite ultime. Dans la seconde partie, on expose une procédure pour permettre le contrôle du comportement d'une colonne sous les charges et les rotations imposées auxquelles elle est réellement confrontée, afin d'en vérifier l'aptitude au service. Cette procédure tient compte de la nature des rotations imposées, causées par des variations de température ou des phénomènes de longue durée comme le retrait et le fluage, son application est aisée car elle se fait au moyen d'abaques. Finalement, pour le traitement des cas de la pratique, on propose une méthode opérationnelle accessible à l'ingénieur projeteur. Elle contient les indications et les abaques nécessaires pour concevoir et vérifier les colonnes en béton plus ou moins armées.