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Vendredi 21 septembre 2007

Recherche et innovationResearch and innovationAttentes économiques, sociales & environnementales Economic, social & environmental issues


BETONS INNOVANTS

INNOVATIVE CONCRETES

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC)

Contacts : Nicolas Roussel +33 1 40 43 52 85 [email protected] François Toutlemonde + 33 1 40 43 53 97 [email protected]




Bétons (ultra)-performants pour structures amincies : enjeux environnementaux Thinner structures with (ultra)-high performance concrete : environmental stakes

Économie globale de ressources naturellessections amincies : moindre consommation de granulatsbilan dosage / gain de section : pas plus de ciment

Améliorations induiteslégèreté : gain de fondations, gains énergétiques d'exécutionavantages architecturaux et d'insertion : gains sur le gabarit / les accèsdurabilité améliorée

Global savings in natural resourcesThinner cross-sections : reduced aggregate consumptionHigher cement content / reduced cross-section

Induced enhancementsLightness : savings in foundations, energy savings in erection worksArchitectural advantages, better insertion in the site, higher clearance, reduced access worksImproved durability

Ouvrages routiers prototypes : Bourg-lès-Valence, St-Pierre-la-Cour, PS 34 La Chabotte sur A51

Prototype road bridges : Bourg-lès-Valence, St-Pierre-la-Cour, overpass 34 La Chabotte on A51




Bétons (ultra)-performants pour structures amincies : problèmes à résoudre Thinner structures with (ultra)-high performance concrete : issues to be solved

Conception valorisante et économiqueselon les portées envisagéesassociation pertinente avec d'autres matériaux (ex. précontrainte)

Validation du fonctionnement et de la sécuritétenue en fatiguemaîtrise des déformationsdiffusion des charges localisées

Worthy application and designdepending on the span(s) consideredwith relevant combination of other materials (e.g. pre-stressing)

Validation of behaviour and safety marginfatigue resistancecontrol of deformationsdiffusion of locally applied forces

Deux exemples de réponses structurales : Arc précontraint, section en Pi (Seoul)

Caisson précontraint (Passerelle Sakata Mirai, Japon)Two types of structural design

Pre-stressed arch, Pi cross-section (Seoul)Pres-stressed box girder (Sakata Mirai bridge, Japan)




Bétons (ultra)-performants pour structures amincies : recherches actives Thinner structures with (ultra)-high performance concrete : active research projects

Poutres préfléchies à talon en B80 autoplaçantprojet national MIKTI, portée typique 10 à 50 m

Blocs d'ancrage réduits en BFUPprojet national MIKTI

Pont mixte à dalle nervurée BFUPprojet national MIKTI, portée typique 100 à 150 m

Pre-bended beams using self-compacting C80/95national project MIKTI, typical spans 10 to 50 m

Reduced UHPFRC anchor blocks for post-tensioningnational project MIKTI

Composite bridge with ribbed slab made of UHPFRCnational project MIKTI, typical spans 100 to 150 m

Démarche systématique :

Avant-projet type

Identification des points critiques

Expérimentation à une échelle réaliste

(plate-forme d'essai des structures du LCPC)

Analyse et validation de la marge de sécurité

Common approachTypical project design

Identification of critical featuresExperiment at a realistic scale

(Structures Laboratory at LCPC)Analysis and validation of the safety margin




Béton autoplaçant B80FS pour poutres mixtes préfléchiesSelf-compacting C80/95 with silica fume for composite prebended beams

Faisabilité et efficacité de la conceptionvalidation sur deux poutres modèles de 13 m de long

Validation de la méthode de calcul (ELU, ELS - incluant le fluage)

suivi sur 8 mois des déformations et contraintes

Validation de la résistance en fatiguereprésentation des charges rares et fréquentes (2 millions de cycles)

Feasibility and efficiencyvalidation with two 13-m long prototypes

Validation of the design method (ULS, SLS incl. creep effects)deformations and stress survey during 8 months

Validation of fatigue resistancerepresentation of rare and frequent loadings (2 million cycles) Coupe de la section mixte et préflexion du profilé

Composite cross-section and pre-bending of the steel girder




Béton autoplaçant B80FS pour poutres mixtes préfléchiesSelf-compacting C80/95 with silica fume for composite prebended beams

Coulage du B80 auto-plaçantContraintemètreCasting of self-compacting C80/95Stress-meter

0,001,002,003,004,005,006,007,008,009,00

10,0011,0012,0013,0014,0015,0016,0017,0018,0019,00

0 4 8 12 16 20

(t-2) (jour)

Contrainte (MPa)

simulation p1 et p2

pression 1 ajustée

Relâchement de la préflexion - contraintes dans le bétonRelease of the pre-bending - concrete stresses

Test de fatigue - essai à ruptureDead & live loads simulation - failure




Blocs d'ancrage de précontrainte réduits en béton fibré ultra-performant Reduced UHPFRC anchor blocks for post-tensioning

Blocs pour unités 4T15S, 7T15S et 12T15Sdifférents BFUP et systèmes de précontraintes

Validation de la sécurité (procédure de type ATE)contrôle de la fissuration à 0,8 Fprg

marge de sécurité à la rupture

essais globalement concluants, possibilité d'optimiser

Blocks for 4T15S, 7T15S and 12T15S unitsdifferent UHPOFRC materials and pre-stressing kits

Validation of the safety (ETA-type procedure)control of cracking at 0.8 Fprg

safety margin at failure

satisfactory results, possibility to further optimise the designEssai de compression réalisé, mesures et résultatsCompressive test, monitoring and results

4T15

0

500

1000

1500

2000

2500

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

vertical settlement (mm)

Appl

ied

load

(kN

)B1

B2

B3




Dalle nervurée en béton fibré ultra-performant pour tablier de pont mixte Ribbed UHPFRC slab for composite bridge deck

Faisabilité et efficacité de la conceptionvalidation sur un tronçon (2 voussoirs) 5 m x 6,1 m

Validation de points critiquesflexion locale ou poinçonnement (charges rares et fréquentes)fatigue sous charges d'essieuxancrage de la barrière de sécuritéconnexion à la charpente métallique

Feasibility and efficiencyvalidation on a scale 1 model (2 segments) 5 m x 6.1 m

Validation of critical issueslocal bending / punching shear (frequent / rare loads)fatigue under axle loadsanchoring of the safety barrierconnection to steel girders

Coupe transversale de l'ouvrage - détails de la maquetteTransverse cross-section of the bridge - mockup details




Dalle nervurée en béton fibré ultra-performant pour tablier de pont mixte Ribbed UHPFRC slab for composite bridge deck

Simulation de charges d'essieuxAxle load simulation

Rupture locale par poinçonnementPunching shear failure

Essai d'ancrage de la barrière de sécuritéTest of the safety barrier anchoring




Structures amincies en bétons (ultra)-performants : perspectives Thinner structures with (ultra)-high performance concrete : trends and outlook

Des solutions prototypes validées, à appliquerpoutres préfléchies, ancrages de précontrainte réduits, dalle nervurée BFUP pour ouvrage mixte…

méthodes de dimensionnement vérifiées

Rechercher des applications pour les ouvrages courantsProjet européen NR2C - valorisation rationalisée des BFUP pour les ouvrages courants de petite portée

Prototype solutions have been validated, should be appliedprebended beams, reduced post-tensioning anchor blocks, UHPFRC

ribbed slab for composite bridges…

validated design methods

Applications to be studied for small current bridgesEuropean Project NR2C - rational application of UHPFRC for current small-span bridges Savoir-faire industriel, règles de calcul… à appliquer

Industrial know-how, design rules… to be applied




Bétons fluides pour structures complexes ou fortement ferraillées High fluidity concretes for complex or highly reinforced structural elements

Bétons Auto Plaçants (BAP)limites de densités de ferraillage repoussésgain de productivité sur chantier et en usine

difficultéscomportement à l’état frais fortement évolutif (thixotropie)problèmes de stabilité et formulation délicatebesoins d’outils de prédiction des process de mise en oeuvre

Self Compacting Concretes (SCC)higher steel bars reinforcement densityHigher productivity on the building site and in factories

Difficultieshighly evolutive fresh behaviour (thixotropy)stability and mix designneed for casting process prediction tools.




Outils de prédiction des phases de mise en oeuvre Casting process predictions tools

Contexte scientifiqueécoulement transitoire à surface libre

fluide à seuil thixotrope

présence de particules centimétriques

Scientific contextfree surface transient flow

thixotropic yield stress fluid

Centimetric particles




Validation sur coffrages et matériaux modèles validation on laboratory model formwork and fluids

Capacité à prédire l’écoulement et son arrêt

ability to predict the flow and its stoppage

Degré de remplissage prédits numériquementet mesurés expérimentalementFilling ratio numerically predicted and experimentally measured




Validation sur bétons réels et méthodologie de prédiction validation on real concrete and prediction method

Capacité à prédire l’écoulement et son arrêt

ability to predict the flow and its stoppage

Simulation du remplissage d’un voile par injection en pied.Simulation of a wall casting (injection fromthe bottom)




Application au coulage de poutres mixtes préfléchiesApplication to casting of composite prebended beams

Comparaison entre le calcul numérique (figures du bas) et le coulage réel (figures du haut) pour un Béton Auto Plaçant de seuil 120Pa et d’étalement 550mm (figures de droite) et un Béton Auto Plaçant de seuil 60Pa et d’étalement 700mm (figures de gauche). Le béton est d’abord coulé à gauche du profilé métallique puis le coulage est complété de l’autre côté.

Comparison between numerical predictions and real casting of a pre-cambered beam. The concrete was poured from one side of the steel girder until the concrete begins to overflow the formwork left side. The concrete was then poured from the other side of the steel girder in order to complete the filling. Upper figures: real casting; lower figures: numerical simulations; left figures: SCC with a 120Pa yield stress; right figures: SCC with a 60Pa yield stress




Prédiction des blocages granulaires prediction of granular clogging

Développement d’un modèle probabiliste permettant l’établissement d’un critère de blocage basé sur le nombre de grains (volume de béton) devant passer l’obstacle, l’écartement des barres, le diamètre des plus gros grains et la fraction volumique en gros grains

Probabilistic model taking into account the number of grains crossing the obstacle (concrete volume), steel bars spacing, diameter of the coarsest grains and volume fraction of the coarsest grains.




Prédiction de la pression dans les coffrages formwork pressure prediction

Prédiction de la pression s’exerçant sur le coffrage en fonction de la hauteur de béton coulé, de la thixotropie du béton, des dimensions du coffrage et de la vitesse de levée.

Prediction of the lateral stress generated by fresh concrete as a function of of the formwork height and thickness, the thixotropy of the concrete and the casting rate.




Prédiction du coulage multi-couches des BAPPrediction of SCC multi-layer casting

Des pertes de résistance mécanique sont systématiquement notées si le délai de recouvrement dépasse une valeur critique Tc.

Losses of mechanical srength can be spotted if the delay between two layers overcomes a critical value Tc.

Simulation du remélange des deux couches de BAP après un délai de recouvrement de 5 minutes (Figure du haut) ou 20 minutes (Figure du bas)Simulation of SCC layers mixing Filling ratio numerically predicted and experimentallymeasured

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

repos relatif T/Tc

rési

stan

ce m

écan

ique

à l'

état

dur

ci r

elat

ive




Prédiction de l’orientation des fibres dans les composites cimentairesPrediction of fiber orientation in cementitious composites

Simulations numériques du coulage d’un voussoir en Béton Fibré Ultra Hautes Performances. Cartographie de l’orientation des fibres dans l’élément de structure.

Numerical simulations of casting of FiberReinforced Ultra High Performance Concrete. Map of the fiber orientation.

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