Béton renforcé de fibres métalliques ( BRFM) : un … · Semelles de fondation Radiers ... Du...

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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

3/62

4

Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

2001

50 kg/m³

6 cm

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

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

Le BRFM en Belgique ... 3%

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

« (...), 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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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

Dosage vs. Performance

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GBB Event 05/06/2014 – Château de Namur

Est-ce

fiable ?

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

X 3

12 éch.20 kg/m³même fibre

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

Le béton renforcé de fibres est…

Discontinu

Distribué de manière homogène

3D

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

Quelques fibres…

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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

Quelles fibres ?

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Synthétique

Acier

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

Fonctionnement du BRFM

Couture des fissures

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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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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20

Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Du matériau au calcul de structure

1Caractérisation

2Classes de performance

3Lois constitutives

4Résistances de calcul

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Méthodes d’essai (principales)

Traction directe(RILEM)

Flexion 3 points(EN 14651)

Flexion dalles rondes(ASTM C1550)

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Du matériau au calcul de structure

1Caractérisation

2Classes de performance

3Lois constitutives

4Résistances de calcul

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Si simple ?Classes de performance…

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Du matériau au calcul de structure

1Caractérisation

2Classes de performance

3Lois constitutives

4Résistances de calcul

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Lois constitutives

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

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Loi constitutive en traction uniaxiale

Approche expérimentale via analyse inverse

Load [kN]

Mid-span deflection [mm]

----- IAStress [MPa]

Test___

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Loi constitutive en traction uniaxiale

Approche « normative » MC2010 :

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Loi constitutive en traction uniaxiale

Approche « normative » MC2010

. .

.

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OU

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Loi constitutive

Approche « normative » MC2010

?

?

1

2

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Passage au diagramme

Longueur structurale caractéristique (lcs)

,

Si pas d’armatures

1

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Du matériau au calcul de structure

1Caractérisation

2Classes de performance

3Lois constitutives

4Résistances de calcul

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Fiabilité

Influence de l’orientation , ⁄

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L. Ferrara et al. (2010)

30 mm

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

Fiabilité

Influence de l’épaisseur

Ref. : Recommandations RILEM TC 162-TDF

→ .

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Epaisseur de l’élément réel

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

ELU – Flexion dalles (MC2010)

.

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

ELU – Effort tranchant (MC2010)

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

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

ELS (MC2010)

Armature minimale (As,min)

s

ctFtsmctmcs

AffkkA

)(min,

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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF

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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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design

BBRI - Lab. Structures bp@bbri.be

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