Essai de cisaillement à simple recouvrement pour caractériser l ...

ISSN 1167-489X

Réf : ME 72Prix : 25 Euros HT

techniques et méthodesdes laboratoires des ponts et chaussées

Méthode d’essai des lpc n°72

Essai de cisaillementà simple recouvrement

pour caractériser l'adhérencede renforts composites

collés sur substrat béton

Cette méthode d'essai décrit un test de cisaillement par traction directe permettant de caractériserle joint adhésif entre un renfort externe en matériau composite et un élément de structure en béton.Ce test conduit à la détermination d'indicateurs d'efficacité du procédé, tels que la capacité maximaledu joint collé en termes d'effort repris, et la longueur d'ancrage effective. Plusieurs méthodesd'exploitation des résultats sont ensuite proposées afin de répondre à la fois aux problématiques dedimensionnement des ingénieurs de génie civil et aux besoins des chercheurs.

This technical guideline describes a shear test by direct tension which aims at characterizing theadhesive bond (or glued interface) between an external composite reinforcement and a concretestructure. This test provides relevant efficiency indicators for the strengthening system, such as themaximum shear capacity of the bonded joint and the effective transfer length. Several methods arealso proposed for the interpretation of experimental data, in order to address both the design issuesmet by civil engineers and the specific needs of researchers.

ME72.qxd 09/03/2010 16:09

Conformément à la note du 04/07/2014 de la direction générale de l'Ifsttar précisant la politique dediffusion des ouvrages parus dans les collections éditées par l'Institut, la reproduction de cet ouvrage estautorisée selon les termes de la licence CC BY-NC-ND. Cette licence autorise la redistribution noncommerciale de copies identiques à l’original. Dans ce cadre, cet ouvrage peut être copié, distribué etcommuniqué par tous moyens et sous tous formats.

(CC BY-NC-ND 4.0)

Attribution — Vous devez créditer l'Oeuvre et intégrer un lien vers la licence. Vous devez indiquer cesinformations par tous les moyens possibles mais vous ne pouvez pas suggérer que l'Ifsttar voussoutient ou soutient la façon dont vous avez utilisé son Oeuvre.

Pas d’Utilisation Commerciale — Vous n'êtes pas autorisé à faire un usage commercial de cetteOeuvre, tout ou partie du matériel la composant.

Pas de modifications — Dans le cas où vous effectuez une adaptation, que vous transformez, oucréez à partir du matériel composant l'Oeuvre originale (par exemple, une traduction, etc.), vousn'êtes pas autorisé à distribuer ou mettre à disposition l'Oeuvre modifiée.

Le patrimoine scientifique de l'Ifsttar

Le libre accès à l'information scientifique est aujourd'hui devenu essentiel pour favoriser la circulation dusavoir et pour contribuer à l'innovation et au développement socio-économique. Pour que les résultats desrecherches soient plus largement diffusés, lus et utilisés pour de nouveaux travaux, l’Ifsttar a entrepris lanumérisation et la mise en ligne de son fonds documentaire. Ainsi, en complément des ouvragesdisponibles à la vente, certaines références des collections de l'INRETS et du LCPC sont dès à présentmises à disposition en téléchargement gratuit selon les termes de la licence Creative Commons CCBY-NC-ND.

Le service Politique éditoriale scientifique et technique de l'Ifsttar diffuse différentes collections qui sontle reflet des recherches menées par l'institut :

• Les collections de l'INRETS, Actes• Les collections de l'INRETS, Outils et Méthodes• Les collections de l'INRETS, Recherches• Les collections de l'INRETS, Synthèses• Les collections du LCPC, Actes• Les collections du LCPC, Etudes et recherches des laboratoires des ponts et chaussées• Les collections du LCPC, Rapport de recherche des laboratoires des ponts et chaussées• Les collections du LCPC, Techniques et méthodes des laboratoires des ponts et chaussées, Guide

technique• Les collections du LCPC, Techniques et méthodes des laboratoires des ponts et chaussées, Méthode

d'essai

www.ifsttar.fr

Institut Français des Sciences et Techniques des Réseaux,de l'Aménagement et des Transports14-20 Boulevard Newton, Cité Descartes, Champs sur MarneF-77447 Marne la Vallée Cedex 2

Contact : [email protected]

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.fr



Essai de cisaillement à simple recouvrement pour caractériser l’adhérence de renforts

composites collés sur substrat béton

Méthode d’essai n° 72

Avril 2010

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées58, boulevard Lefebvre - 75732 Paris Cedex 15

Ce document a été rédigé par :

Sylvain Chataigner, Christophe Aubagnac (Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées d’Autun),

Marc Quiertant, Karim Benzarti (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées).

Ce document est disponible au :

Laboratoire Central des Ponts et ChausséesDISTC-Diffusion des éditions58, boulevard LefebvreF-75732 Paris Cedex 15Téléphone : 01 40 43 50 20Télécopie : 01 40 43 54 95Internet : http://www.lcpc.fr

Prix : 25 Euros HT

En couverture :

Test de cisaillement pour caractériser l’interface collée béton/composite (source LRPC d’Autun).

Ce document est propriété du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées et ne peut être reproduit, même partiellement, sans l’autorisation de son Directeur général (ou de ses représentants autorisés)

© 2010 - LCPCISBN 978-2-7208-2560-3

CrossRef 10.3829/me72-fr

Som

mai

re

1. OBJECTIF DE L’ESSAI ET DOMAINE D’APPLICATION ................................................................... 5

2. DESCRIPTION DE LA MACHINE DE TRACTION .............................................................................. 6

3. RÉFÉRENCES NORMATIVES ET BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................. 7

4. MOYENS NÉCESSAIRES .................................................................................................................... 9 4.1. Personnel ..................................................................................................................................... 9 4.2. Outillage pour la réalisation des éprouvettes ................................................................................ 9 4.3. Matériel de mesure et d’acquisition ............................................................................................. 10

5. NOTATIONS .................................................................................................................................... 10

6. PREPARATION DES ÉPROUVETTES ............................................................................................... 12 6.1. Préparation des dalles support ..................................................................................................... 12 6.2. Préparation de la surface de collage ............................................................................................ 13 6.3. Procédure de collage des renforts ................................................................................................ 13 6.4. Mise en place optionnelle de jauges de déformation .................................................................... 15

7. MODE OPÉRATOIRE .......................................................................................................................... 15 7.1. Mise en place de la machine de traction ....................................................................................... 16 7.2. Serrage du mors ........................................................................................................................... 16 7.3. Mise en place de l’instrumentation ................................................................................................ 16 7.4. Essai de chargement .................................................................................................................... 17 7.4.1. Pilotage en effort ................................................................................................................ 17 7.4.2. Pilotage en déplacement ................................................................................................... 17 7.5. Essais annexes ............................................................................................................................. 17

8. GRANDEURS MESURÉES - EXPRESSION DES RÉSULTATS ....................................................... 18

9. SPÉCIFICITÉS / RÉPÉTABILITÉ / FACTEURS D’INCERTITUDES .................................................. 19 9.1. Spécifi cités .................................................................................................................................... 19 9.2. Répétabilité ................................................................................................................................... 19 9.3. Facteurs générateurs d’Incertitudes : Méthodes des 5 M ............................................................. 19 9.3.1. Objet (Mesurande) ............................................................................................................. 20 9.3.2. Outils (Moyens matériels) .................................................................................................. 20 9.3.3. Environnement (Milieu) ...................................................................................................... 20 9.3.4. Méthode ............................................................................................................................. 20 9.3.5. Compétences (Moyens humains) ...................................................................................... 20

10. DÉTERMINATION DE LA LONGUEUR D’ANCRAGE ....................................................................... 20 10.1. Détermination de la longueur d’ancrage et du comportement d’interface en cisaillement selon les recommandations de l’AFGC .............................................................. 21 10.2. Détermination de la longueur d’ancrage à partir de l’exploitation des courbes Effort/Déplacement ................................................................................................. 25 10.3. Détermination de la longueur d’ancrage à partir de l’exploitation des données des jauges de déformation .................................................................................... 27

11. COMPTE-RENDU ................................................................................................................................ 28 ANNEXE A - Détermination de la longueur d’ancrage et du comportement d’interface en cisaillement à l’aide d’un modèle bilinéaire de zone cohésive ........................................................ 31 ANNEXE B - Quelques exemples de résultats ................................................................................... 35

Méthode d’essai N° 72 Page 5

1. Objet de l’essai et domaine d’application

L’essai de cisaillement par traction directe a pour but de caractériser en cisaillement le joint collé (ou interface) de tout procédé de renforcement par composites collés mis en place sur un matériau de construction tel que le béton. Nota : Un mode opératoire similaire est envisageable pour des renforcements sur acier ou sur bois. Ces procédés sont aujourd’hui utilisés principalement dans le cadre de travaux de réparation ou de renforcement structural. L’essai de cisaillement par traction directe doit perme re d’établir la valeur de certains indicateurs de l’effi cacité du procédé, et en particulier de déterminer la capacité maximale du joint collé en terme d’eff ort repris ainsi que la longueur d’ancrage eff ective. Un modèle de comportement rhéologique bilinéaire du joint pourra également être identifi é lors de cet essai.En référence à un autre type d’essai de caractérisation des joints de colle dit « essai sur joint à double recouvrement » (cf. AFGC, Réparation et renforcement des structures en béton au moyen des matériaux composites – Recommandations provisoires, juin 2007), l’essai décrit dans le présent document est habituellement qualifi é « d’essai sur joint à simple recouvrement ». Dans la li érature internationale, on désigne ce type d’essai par « Near-end Supported Single Shear Test » (cf. Yao et al., chapitre 3).L’essai consiste à solliciter en cisaillement un joint adhésif en appliquant un eff ort de traction à l’extrémité libre (i.e. non collée sur le support) d’un renfort composite collé sur un élément en béton (cf. Fig. 1). Cet eff ort est appliqué dans le plan du joint grâce à une machine d’essai positionnée à l’extrémité de la dalle béton et qui prend appui sur celle-ci. L’essai est réalisé jusqu’à rupture du joint de colle, et on relève au cours de l’essai la valeur de l’eff ort appliqué, le déplacement de l’extrémité du renfort et si nécessaire des valeurs de déformations longitudinales du renfort. Ceci permet ensuite de déterminer des paramètres caractéristiques du joint collé tels que la loi de comportement de l’interface ou encore la longueur caractéristique d’ancrage. Sauf indication contraire, les essais sont réalisés en conditions de laboratoire, i.e. 20 °C (± 2 °C) et 55 % HR (± 15 % HR).

Matériau composite

Substrat béton

Adhésif

Effort

Fig. 1 - Principe de sollicitation en cisaillement du joint adhésif consécutif à l’application d’un eff ort de traction au matériau composite.

Essai de cisaillement à simple recouvrement pour caractériser l’adhérence de renforts composites collés sur substrat béton

2. Description de la machine de traction

Les essais sont réalisés au moyen d’une machine de traction basée sur le dispositif conçu au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées pour la caractérisation mécanique des renforcements d’ouvrages en béton par tôles métalliques collées (cf. thèse de J.-N. Theillout, voir réf. au chapitre 3).Un vérin annulaire transmet l’eff ort de traction au composite par l’intermédiaire d’une tige à laquelle est fi xé un système de mors autobloquants. Un socle d’appui solidaire du montage et d’un bâti est en contact direct avec la dalle support de béton. Pour ne pas perturber l’essai, une largeur de 400 mm est disponible entre les deux bras de la partie horizontale du socle d’appui (Fig. 2 – partie droite). Une largeur libre de 150 mm minimum est donc disponible entre le joint et le socle puisque la largeur maximale des échantillons testés est de 100 mm. L’axe d’application de l’eff ort peut être facilement aligné avec le renfort à tester à l’aide des vis de réglage et de la règle amovible (cf. article de J.-P. Sudret, chapitre 3).

Vérin

Réglage angulaire

Socle d'appuiRègle amovible

avec vis pointeaux

Réglage dans le plan vertical

Bâti d'appuisur la dalleen béton

Cellule de mesurede l'effort

Zone d'appui

Dalle support100

400

> 150

Renfort

Fig. 2 - Schéma de la machine de traction et de la zone d’appui sur la dalle support (dimensions en mm).

La machine d’essai est schématiquement représentée sur la fi gure 2. On y distingue clairement les éléments suivants :

un socle d’appui qui comporte deux bras et qui permet de positionner le vérin en appui sur la dalle dans l’axe du renfort collé,

un vérin hydraulique associé à une cellule de mesure de l’eff ort appliqué,un mors conique qui permet d’enserrer l’extrémité libre du renfortet des systèmes de réglage plus fi ns pour aligner l’axe du vérin avec l’axe du renfort.

La photographie en fi gure 3 représente l’adaptation de la machine de traction aux supports de type « grandes dalles » (ceci sera précisé par la suite).Une adaptation du système permet de travailler sur des supports de plus petites dimensions. Ce système dit pour « petites dalles » est illustré par les photographies présentées sur la fi gure 4.Le vérin est associé à une centrale hydraulique qui permet d’automatiser le pilotage.


Le synoptique du système de pilotage et d’acquisition est donné en fi gure 5. Deux cartes PID perme ent de piloter l’essai à partir des mesures d’eff ort ou des mesures de déplacement. Le PC de commande a pour rôle de gérer ces cartes PID et assure un enregistrement continu des valeurs d’eff ort et de déplacement. Un ordinateur annexe associé à une centrale d’acquisition permet d’enregistrer d’autres mesures comme les valeurs des jauges de déformation par exemple.

Fig. 4 - Machine de traction avec le système pour petite dalle.

Fig. 3 - Machine de traction avec le système pour grandes dalles.


3. Références normatives et bibliographiques

Cet essai a été le sujet de nombreux articles. Il a été utilisé à l’origine dans le cadre d’une thèse sur le collage de tôles en acier, et a plus récemment fait l’objet d’applications dans le domaine du collage de renforts composites dans le cadre d’opérations de recherche du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) :

J.-N. Theillout, Renforcement et réparation des ouvrages d’art par la technique des tôles collées, Thèse ENPC, 1983.

J.-P. Sudret, G. Metais, B. Clément, P. Bligny, F. Vitel, A. Flety, J.P. Dessertenne, L. Wending, Développement d’un essai de cisaillement d’interface collée. Renforcement des ouvrages en béton par collage de composites, Bilan de deux opérations de recherche du LCPC, ERLPC OA 54, pp. 133-141, 2005.

J.-L. Clément, Analyse des résultats de cisaillement : Estimation de la longueur de transfert. Renforcement des ouvrages en béton par collage de composites, Bilan de deux opérations de recherche du LCPC, ERLPC OA 54, pp. 142-156, 2005.Cet essai a également été référencé et décrit dans le guide de l’Association Française de Génie Civil (AFGC) :

AFGC, Réparation et renforcement des structures en béton au moyen des matériaux composites – Recommandations provisoires, Juin 2007.

Fig. 5 - Synoptique du système de pilotage et d’acquisition.

Centrale hydrauliqueJauges

Capteurtesa

ConditionneurLVDT

ConditionneurEffort

ConditionneurJauges

PC decontrôle/commande

PC LCPC Spider

Vérind'essai

Mis en pression 230 V ~

Centrale en route 230 V ~

± 1 V

± 10 V

Alimentation± 15 V

PID 1

PID 2

Gestion centrale(température

et niveau)

Capteurd'effort


Le type d’essai décrit dans le présent protocole est référencé et reconnu au niveau international. On pourra notamment se reporter aux travaux de J. Yao et al. sur le sujet :

Yao, J.G. Teng, J.F. Chen, Experimental study on FRP-to-concrete bonded joints, Composites : Part B, Vol. 36, pp. 99-113, 2005.

L’utilisation de modèles de zone cohésive est depuis peu fortement étudiée, et certains essais ont été exploités suivant ce e méthode. On pourra se référer :

pour une bibliographie sur le sujet à : X.Z. Lu, J.G. Teng, L.P. Ye, J.J. Jiang, Bond-slip models for FRP sheets/plates bonded to concrete, Journal of Engineering Structures, Vol. 37, pp. 920-927, 2005 ;

pour un exemple de référence normative utilisant ce concept à : National Research Council, Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening existing structures, CNR DT 200/2004, Rome, 2004 ;

pour une utilisation du modèle en fl exion à : J. Wang, Debonding of FRP-plated reinforced concrete beam, a bond-slip analysis. I. Theoretical formulation, International Journal of Solids and Structures, Vol. 43, pp. 6649-6664, 2006 ;

et pour un exemple d’exploitation des essais du LRPC d’Autun selon ce e méthode : S. Chataigner et J.-F. Caron : Critères de rupture du collage de composites sur béton : Proposition d’interprétation des essais de cisaillement directs réalisés au LRPC d’Autun, rapport de travaux de fi n d’étude de l’ENTPE et Imperial College London, 2005.

4. Moyens nécessaires

Pour être menés à bien, ces essais doivent être réalisés par du personnel expérimenté, avec des outils et des matériels de mesure adaptés. Pour la réalisation des éprouve es (préparation de surface, collage des renforts), il est recommandé de faire appliquer les procédés de renforcement par les entreprises habituellement responsables de leur mise en œuvre afi n de disposer de corps d’épreuve représentatifs. Dans le cas où cela n’est pas réalisable, le personnel chargé de l’essai veillera à assurer une mise en œuvre conforme à la fi che technique du procédé de renforcement.

4.1. Personnel

Il est nécessaire que le personnel applicateur du renfort collé dispose et ait pris connaissance de la fi che technique du procédé de renforcement mais aussi de la présente méthode d’essai afi n d’être en mesure de réaliser des éprouve es conformes.Lors des phases d’essai, c’est un personnel expérimenté qui doit procéder à la mise en place de la machine. La phase d’alignement de l’axe de chargement avec l’axe du renfort en particulier est primordiale, et doit être eff ectuée avec le plus grand soin.

4.2. Outillage pour la réalisation des éprouve es

L’outillage utilisé lors de la mise en place des renforts collés (préparation de surface, collage des renforts) est dans la mesure du possible celui de l’entreprise applicatrice. À défaut, le chargé d’essai doit disposer de meuleuses pour acier et béton. Sauf indication contraire de la fi che de mise en œuvre du procédé, c’est ce mode de préparation de surface par meulage qui est alors pratiqué, le cas échéant conformément à ce e même fi che si ce e méthode y est préconisée. On procède ensuite à un dépoussiérage de la surface par aspiration au moyen d’un aspirateur industriel.


4.3. Matériel de mesure et d’acquisition

On dispose du matériel de mesure suivant :Une cellule de mesure à pont de jauges reliée à un conditionneur qui fournit

l’information force (maximum de la machine 100 kN). Le système actuel permet une mesure à +/- 20 N.

Un capteur mesurant le déplacement de l’extrémité des mors par rapport au béton de la dalle (étendue de mesure +/- 5 mm). La discrétisation du système d’acquisition permet une mesure à +/- 0,5 μm.

Une centrale d’acquisition dynamique des mesures qui permet de réaliser des enregistrements à une fréquence de 25 Hz pour chacune des voies.

Une série de 5 jauges peut être collée longitudinalement sur la face supérieure du composite pour fournir une mesure de la déformation du composite dans le cas où on souhaite évaluer la longueur d’ancrage.

5. Notations

On utilisera dans la suite de ce document les notations suivantes :

Données géométriquesLc Longueur de la dalle en béton, en mmbc Largeur de la dalle en béton, en mmhc Épaisseur de la dalle en béton, en mmtf Épaisseur du composite, en mmbf Largeur du composite, en mmAf Section transversale du composite, en mm² (tf * bf)ta Épaisseur du joint de colle, en mmLcollage Longueur collée, en mmScollage Surface de collage, en mm²Llibre Longueur libre du composite, en mm

Données concernant les matériauxEc Module d’Young du béton, en MPa (par défaut, les modules en traction et en compression du béton sont supposés égaux). Cependant, si l’on dispose de la valeur expérimentale du module en traction, ce e dernière sera utilisée dans les formules qui y font explicitement référenceGc Module de cisaillement du béton, en MPafc Résistance (i.e. contrainte max. avant rupture) en compression du béton dans le cas d’éprouve es cylindriques, en MPafctm Résistance en traction du béton au sens des Eurocodes, en MPaEf Module d’Young en traction du composite, en MPaff Résistance en traction du renfort composite, en MPaRf Eff ort de rupture du renfort en traction, en N (ff * Af)Ga Module de cisaillement de la colle, en MPa


Expression des résultatsF Capacité maximale du joint, en N

Selon la méthode décrite dans les recommandations de l’AFGC

Fapp Eff ort de traction appliqué, en NLe Longueur d’ancrage au sens de la relation de J.F. Chen, en mmτad Contrainte de cisaillement moyenne, en MPaγad Déformation de cisaillement moyenneGad Module de cisaillement de l’interface, en MPaΔmors Déplacement du mors, en mmτad,e Contrainte de cisaillement moyenne au niveau du changement de pente du modèle bilinéaire d’interface, en MPaγad,e Déformation de cisaillement moyenne au niveau du changement de penteFad,e Eff ort appliqué au niveau du changement de pente, en N (τad,e * Scollage)τad,u Contrainte de cisaillement moyenne à la rupture, en MPaγad,u Déformation de cisaillement moyenne à la ruptureτad,max Contrainte de cisaillement maximale en extrémité du joint collé, en MPalanc,exp Longueur d’ancrage expérimentale au sens de la relation des recommandations de l’AFGC, en mm

À partir de l’exploitation des courbes Eff ort/Déplacement

Lélong Longueur de composite dont le décollement avant rupture provoque le déplacement Delta, en mmDelta Déplacement additionnel du mors, en mmlanc,el Longueur d’ancrage élastique au sens de l’exploitation d’une courbe eff ort/ déplacement d’un essai piloté en eff ort, en mmlanc,tot Longueur d’ancrage totale au sens de l’exploitation d’une courbe eff ort/ déplacement d’un essai piloté en déplacement, en mm

À partir d’un modèle bilinéaire de zone cohésive

τf Contrainte de cisaillement maximale, en MPaδ1 Glissement à la limite élastique, en mmδf Glissement maximal, en mmLélast Longueur d’ancrage élastique au sens de l’exploitation à partir d’un modèle bilinéaire de zone cohésive, en mmLanc,end Longueur d’ancrage endommagée au sens de l’exploitation à partir d’un modèle bilinéaire de zone cohésive, en mm


6. Préparation des éprouve es

La préparation des éprouve es comporte plusieurs phases listées ci-après. Pour un même procédé, on réalise trois éprouve es identiques. Il est ainsi possible de défi nir une valeur moyenne et de se prononcer sur la dispersion des résultats. Le conditionnement des éprouve es avant essai est conforme aux recommandations du procédé notamment en ce qui concerne le temps minimal avant mise en service ainsi que les conditions environnementales relatives à la température et l’humidité.

6.1. Préparation des dalles support

a. Cas des systèmes dits « grandes dalles »Les dalles sur lesquelles sont collés les renforts sont des prismes de béton de hauteur hc 200 mm, de largeur bc 600 mm, et de longueur Lc 1000 mm (Fig. 6). Le béton est fabriqué et mis en œuvre suivant la norme NF EN 18-422. On observe une période de cure de 28 jours après coulage de la dalle afi n d’obtenir la résistance de référence du béton en compression fc.

b. Cas des systèmes dits « petites dalles »La largeur des petites dalles bc est de 210 mm, la hauteur hc de 210 ou 105 mm, et la longueur Lc de 410 mm (Fig. 7). Un retrait de 50 mm par rapport au bord étant réalisé pour le collage (cf. Fig. 8), et une distance de 50 mm étant laissée libre pour l’appui, la longueur de collage ne pourra pas être supérieure dans ce cas à 310 mm.

Lc = 1000 mm

hc = 200 mm

bc = 600 mm

Fig. 6 - Caractéristiques géométriques d’une grande dalle.

Lc = 410 mm

hc = 210

ou 105 mm

bc = 210 mm

Fig. 7 - Caractéristiques géométriques d’une petite dalle.


Pour la détermination usuelle des caractéristiques d’adhérence d’un procédé de renforcement, on utilisera par défaut la formulation du béton suivante (que ce soit pour les grandes dalles ou les petites) :C30/37Sable 0/2 Roulé : 360 kg Filler : 20 kgSable 0/4 Roulé : 360 kg Ciment CEM II 32.5 : 350 kgGravillon 6/10 : 305 kg Eau totale : 193 kgGravillon 10/20 : 800 kg Plastifi ant : 1,75 kg

Pour vérifi er la résistance du béton, des essais de compression seront réalisés à 28 jours sur des éprouve es du même béton que celui des dalles. De plus, des essais de cohésion superfi cielle du béton doivent également être pratiqués selon la méthode décrite dans la norme NF EN 1542.

Cependant, pour déterminer les caractéristiques d’adhérence d’un système de renforce-ment sur un substrat béton particulier, on utilisera la formulation spécifi que de ce béton.

6.2. Préparation de la surface de collage

La surface de collage est préparée conformément aux recommandations du procédé. Ce point est primordial car la capacité du joint obtenu est très sensible à la préparation de surface du béton. Dans le cas où la préparation de surface est réalisée par le chargé d’essai, on procédera par défaut à un ponçage à la disqueuse de la surface (sous réserve que ce e préparation de surface soit évoquée dans le cahier des charges du procédé), puis à son dépoussiérage par aspiration (aspirateur industriel).

6.3. Procédure de collage des renforts

La procédure de collage des renforts est également eff ectuée conformément aux recommandations du procédé. On veillera en particulier à respecter les préconisations en termes de :

nombre de surfaces encollées (par défaut double encollage),temps d’application (DPU),conditions environnementales lors de l’application,quantité de colle appliquée,biseautage ou non des bords du joint,et mise en pression ou non du joint pendant la polymérisation.

Les renforts peuvent être collés avec un retrait de 50 mm ou sans retrait par rapport au bord (ceci dépend de l’étude eff ectuée). On doit veiller à ce qu’il existe un minimum de 70 mm de longueur libre du renfort pour les mors (Fig. 8 - gauche). Les renforts sont collés au milieu des côtés des dalles. Trois renforts peuvent être collés sur la surface d’une même dalle dans le cas du système « grandes dalles » (Fig. 8 - droite), un seul dans le cas du système « petites dalles ». La longueur collée Lcollage devra être au minimum supérieure à deux fois la longueur d’ancrage Le donnée par la relation de J.F. Chen (toutefois, expérimentalement dans le cas des petites dalles, la longueur de collage est limitée à 310 mm) :

c

ffe f

t*EL =


avec : Ef : Le module d’Young en traction du renfort composite, en MPa tf : L’épaisseur du renfort composite, en mm fc : La résistance moyenne en compression de cylindres du béton testés à 28 jours, en MPa.

Fig. 9 - Procédure de mise en œuvre des systèmes stratifi és au contact.

Fig. 8 - Caractéristiques géométriques du collage, vue de côté de l’échantillon (à gauche).Vue de dessus de l’échantillon dans le cas d’une grande dalle (à droite).

Longueur collée50 mm70 mm


La largeur des renforts collés est par défaut celle du procédé, mais limitée toutefois à 100 mm. Dans le cas des tissus, on colle une bande de largeur 100 mm. On peut également suivre les recommandations données dans le guide de l’AFGC pour le choix des largeurs des renforts testés.Dans le cas où l’épaisseur du renfort est inférieure à 1 mm ou lorsque l’opérateur le jugera utile compte-tenu de l’état de surface, pour assurer un maintien effi cace des mors, on renforce la longueur libre du renfort qui sera serrée par les mors, par collage de papier abrasif à la colle cyanoacrylate. Si ceci ne suffi t pas à obtenir une épaisseur de 1 mm, on ajoute une surépaisseur de l’adhésif utilisé par le procédé avant collage du papier abrasif. Dans le cas des tissus imprégnés in situ, on veille à imprégner la totalité du renfort, c’est-à-dire tant la partie collée au substrat béton que la partie non collée (dont partie destinée à l’accrochage des mors). Un dispositif de maintien provisoire est à ce titre nécessaire pour l’encollage des tissus. La procédure de mise en place des tissus imprégnés in situ est plus précisément décrite en fi gure 9.

6.4. Mise en place optionnelle de jauges de déformation

Les jauges de déformation sont placées au milieu du renfort sur sa surface supérieure. Elles sont espacées d’une distance d’autant plus faible que l’on se trouve proche du bord de collage, afi n d’appréhender au mieux les phénomènes de concentration de contrainte en bord de joint. Les jauges utilisées ont une longueur de 10 à 20 mm pour aff ranchir la mesure des eff ets de fl exion locale du renfort. À titre d’exemple, une référence de jauge utilisée est la suivante : KFG-20-120-C1-11 (Kyowa). La disposition par défaut présentée sur la fi gure 10 peut être modifi ée si nécessaire.

135 mm

200 mm

15 mm

50 mm

90 mm

Fig. 10 - Disposition des jauges de déformation le long du renfort composite.

7. Mode opératoire

On a end au minimum 48 h (ou plus en fonction des recommandations relatives au procédé) après l’encollage du renfort sur la dalle support avant d’eff ectuer éventuellement la mise en place des jauges et l’essai, et ce afi n d’assurer une polymérisation suffi sante de l’adhésif du système de renfort. L’essai peut être piloté en déplacement ou en eff ort. Dans les deux cas, le mode opératoire doit comporter plusieurs phases :


7.1. Mise en place de la machine de traction

Après avoir relié les jauges au système d’acquisition, la machine de traction est mise en place et les mors sont alignés verticalement et horizontalement avec le renfort. La mise en place de la machine de traction est réalisée conformément aux étapes suivantes :

a. Cas du système « grandes dalles »Déplacement manuel du vérin pour obtenir une plage de course maximale pendant

l’essai.Ouverture des mors.Positionnement vertical et horizontal de la machine à l’aide d’une chèvre pour aligner

les mors et le renfort.Poussage de la machine pour positionner le renfort dans les mors.Mise en place d’un cric de soutien en bout de cage du vérin.Mise à niveau de l’ensemble bâti + vérin à l’aide du cric et des vis situées sur les deux

bras du support et ajustement pour obtenir une position médiane du renfort par rapport au mors. On veillera à obtenir un parallélisme rigoureux entre l’axe de la machine de traction et le renfort testé.

Fermeture manuelle des mors.

b. Cas du système « petites dalles »Déplacement manuel du vérin pour obtenir une plage de course maximale pendant

l’essai.Ouverture des mors.Mise en place de l’échantillon sur la plaque en acier sans la me re en butée.Réglage vertical et en niveau de l’échantillon grâce aux trois vis situées sous la cage en

acier.Poussage de l’échantillon en butée pour me re l’extrémité du renfort dans l’ouverture

des mors et vérifi cation de l’alignement (renfort situé au milieu de l’ouverture des mors). On veillera à obtenir un parallélisme rigoureux entre l’axe de la machine de traction et le renfort testé.

Mise en place de la barre de maintien située de l’autre côté de l’échantillon.Fermeture manuelle des mors (eff ort laissé à l’appréciation de l’opérateur).

7.2. Serrage du mors

On procède ensuite au serrage du mors sur le renfort en appliquant un eff ort de traction de 1000 N de façon progressive (eff ort mesuré par la cellule à pont de jauges). Cet eff ort va perme re de bloquer le mors grâce à la forme conique de ce dernier. On choisit un chargement de type rampe avec une vitesse de chargement faible de l’ordre de 75 N/s.

7.3. Mise en place de l’instrumentation

On installe ensuite un capteur de déplacement LVDT de +/- 5 mm (étendue de mesure de 10 mm). pour mesurer et piloter le cas échéant le déplacement du mors par rapport à la dalle (Fig. 11). Celui-ci est supporté par un bâti solidaire de la dalle béton, et au contact du bord supérieur du mors. On veille à le positionner en course minimale avant le début de l’essai (rappel : la sensibilité du capteur de déplacement est de +/- 0,5 μm).


7.4. Essai de chargement

L’essai est piloté numériquement. Le chargement est monotone, eff ectué jusqu’à rupture de l’éprouve e, et peut être appliqué selon deux méthodes : à vitesse d’incrémentation en eff ort constante ou à vitesse de déplacement du mors constante. La seconde méthode est préférable car elle permet de contrôler la rupture de l’échantillon.

7.4.1. Pilotage en eff ortLes paramètres de pilotage sont adaptables. Par défaut, on utilise une vitesse de mise en charge de 75 N/s lors d’un pilotage en eff ort.

7.4.2. Pilotage en déplacementLes paramètres de pilotage sont adaptables. Par défaut, on utilise une vitesse de mise en charge de 17 μm/s (soit environ 1mm/min). On diminue ce e vitesse pour des études spécifi ques plus précises.

7.5. Essais annexes

Pour caractériser de façon complète un système de renforcement, on procède en outre à des essais complémentaires relatifs aux matériaux composites mis en œuvre, à la qualité du matériau support, à la qualité de la préparation de surface et au degré de polymérisation de la colle. Certains essais sont indispensables à l’exploitation des résultats, d’autres sont optionnels.Les essais indispensables à réaliser en parallèle à l’essai de cisaillement sont les suivants :a. Essais de cohésion superfi cielle (traction par adhérence) sur le support béton (cf. Normes P18 852, P18 858, et NF EN 1542).b. Mesure des caractéristiques mécaniques du béton (compression ou traction par fendage à partir d’éprouve es du même béton ou de prélèvements par caro age).c. Mesures des caractéristiques à la traction du composite testé.d. Mesure des caractéristiques mécaniques de la colle en cisaillement.Pour ces deux derniers points, on pourra à défaut d’essais se référer aux données des fi ches techniques des fabricants.

Les essais optionnels sont les suivants :e. Mesure de la rugosité de surface.f. Mesure de la dureté shore D de la résine et éventuellement de sa température de transition vitreuse (Tg).

Capteur

Mors

Fig. 11 - Positionnement du capteur de mesure du déplacement du mors.


8. Grandeurs mesurées - Expression des résultats

Les principales caractéristiques pouvant être déterminées lors de l’essai sont :

L’eff ort maximal F supporté par le joint (ou capacité en cisaillement), exprimé en Newtons. La valeur sera moyennée sur les trois éprouve es. Nota : Une valeur expérimentale éloignée de ce e valeur moyenne de plus de 15 % sera éliminée (si deux valeurs sont ainsi éliminées, on devra réaliser une nouvelle série d’essais). La valeur de l’eff ort maximal F divisée par la surface de collage détermine la contrainte moyenne de cisaillement à la rupture, notée τad,u.

La loi de comportement de l’interface (courbe d’évolution de la contrainte moyenne de cisaillement τad en fonction de la déformation moyenne de cisaillement γad). L’interprétation de ce e loi de comportement permet de déterminer la longueur d’ancrage selon les diff érentes méthodes explicitées dans le paragraphe 10 qui suit.

Le mode de rupture de l’échantillon. On précisera si la rupture est cohésive (et dans quel matériau), adhésive ou mixte (Fig. 12). Dans le cas d’une rupture mixte, on eff ectuera un schéma pour représenter les zones cohésives et les zones adhésives du profi l de rupture (cf. P18 852 et NF EN 1542)

Rupture cohésive du composite

Rupture cohésive de la colle

Rupture adhésiveà l’interface colle/béton

Rupture mixte

Rupture adhésiveà l’interface composite/colle

Rupture cohésive du béton

Fig. 12 - Diff érents modes de rupture des assemblages collés.


9. Spécifi cités/Répétabilité/Facteurs d’incertitudes

9.1. Spécifi cités

Actuellement, la seule machine d’essai disponible dans le Réseau Scientifi que et Technique (RST) se trouve au Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées d’Autun. Ce e machine est limitée à la caractérisation de procédés de renforcement de capacité maximale de 100 kN, de largeur maximale de 100 mm, et d’épaisseur maximale de 3 mm. Ces limitations sont spécifi ques à ce prototype, mais le dispositif présenté dans ce e méthode pourrait parfaitement être adapté à des systèmes de renforcement présentant des caractéristiques supérieures. L’ensemble des essais réalisés à ce jour a été eff ectué au Laboratoire Régional d’Autun, et l’étude statistique présentée dans le paragraphe suivant est basée sur les résultats expéri-mentaux obtenus dans ce laboratoire.

9.2. Répétabilité

Une analyse statistique a été réalisée à partir des valeurs de la capacité maximale du joint (F), ce e dernière étant la principale grandeur déterminée lors de l’essai de cisaillement. Les données relatives aux grandes dalles et aux petites dalles ont été traitées séparément de manière à d’obtenir des informations spécifi ques à chacune des deux géométries.Par ailleurs, le dépouillement des résultats a porté sur diff érentes séries d’essais impliquant des procédés de renforcement diff érents (plats carbone et tissus de fi bres de carbone). Pour chaque série, on a calculé la variance, puis on a déterminé la moyenne des variances sur l’ensemble des séries de manière à obtenir l’écart type de répétabilité de la méthode d’essai sr. On a également déterminé la limite de répétabilité r = k*√2*sr (ici, k est considéré égal à 2), soit r = 2,8*sr ; il s’agit de la valeur au-dessous de laquelle est située, avec une probabilité de 95 %, la valeur absolue de la diff érence entre deux résultats d’essai.Les résultats obtenus sont les suivants: « Grande dalle » : sr = 3,2 kN r = 9,0 kN « Petite dalle » : sr = 2,0 kN r = 5,6 kNL’écart type de répétabilité est sensiblement plus faible pour les petites dalles. On notera d’ailleurs que l’essai sur petites dalles est actuellement privilégié pour des raisons de maniabilité des corps d’épreuve et de gain de place pour le stockage.

9.3. Facteurs générateurs d’incertitudes : Méthode des 5 M

Pour défi nir les paramètres importants pouvant aff ecter les mesures, on utilise couram-ment la méthode des 5M qui permet d’identifi er les sources d’incertitudes de l’essai. Ce e méthode ne quantifi e pas les incertitudes, mais permet de me re l’accent sur les points critiques ou les paramètres infl uents de la méthode qu’il convient de soigner pour limiter au maximum la dispersion des résultats. Pour chacun des cinq champs défi nis par la méthode, les principaux facteurs pouvant aff ecter la mesure sont listés.


9.3.1. Objet (Mesurande)Variabilité de l’épaisseur de la couche de colle et de l’alignement du renfort ;Variabilité du comportement du béton ;Variabilité du comportement du renfort ;Variabilité du comportement de l’adhésif ;Variabilité des eff orts d’adhésion ou de la qualité d’encollage de la surface.

9.3.2. Outils (Moyens matériels)Incertitude du capteur d’eff ort ;Incertitude du capteur de déplacement ;Incertitudes des mesures des jauges de déformation ;Perturbations des câbles/rallonges (utilisés lors de l’étalonnage des capteurs) ;Perturbations du système d’acquisition (utilisé lors de l’étalonnage des capteurs).

9.3.3. Environnement (Milieu)Conditions en température ;Conditions en humidité ;Environnement de travail (vibrations, etc.).

9.3.4. MéthodeMéthode de réalisation des corps d’épreuve (dont préparation des surfaces avant

collage) ;Temps et condition de cure des échantillons (béton, puis résine) ;Alignement du mors avec le renfort.

9.3.5. Compétences (Moyens humains)Expérience des agents manipulateurs.

10. Détermination de la longueur d’ancrage

La longueur d’ancrage est un paramètre important pour le dimensionnement du renfort, car il caractérise le transfert de charge entre le support béton et le renfort. Elle peut être mise en relief par la visualisation des résultats des mesures des jauges de déformation.Plusieurs procédures d’exploitation des données expérimentales sont envisageables en vue d’évaluer ce e longueur d’ancrage :

dans le cas du dimensionnement courant d’une opération de renforcement, on utilisera par défaut la procédure décrite dans le guide de recommandations de l’AFGC (et rappelée dans le paragraphe 10.1. qui suit) ;

dans le cadre d’une action de recherche, d’autres types d’interprétations plus complexes ou adaptées à des confi gurations particulières peuvent être choisies. Les principales méthodes sont décrites dans le paragraphe 10.2 et en Annexe A, ainsi que dans les références suivantes :


● Characterization of composite to concrete interface : Use of the cohesive zone approach, S. Chataigner, J.-F. Caron, M. Quiertant, K. Benzarti, C. Aubagnac, Proceedings of the Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE2008), Abstract 108, 22-24, July 2008, Zurich, Switzerland (6 pages on CD-Proceedings).● FRP to concrete or steel bonded joints : Use of the bilinear cohesive zone model to characterize the anchorage zone, S. Chataigner, J.-F. Caron, M. Quiertant, C. Aubagnac, Proceedings of the international Conference Challenges for Civil Construction (CCC2008), Abstract 220-221, Porto, Portugal, 16-18 April 2008 (12 pages on CD-Proceedings),

une évaluation directe de la longueur d’ancrage est aussi possible par l’exploitation des mesures de déformations fournies par des jauges extensométriques collées à la surface du renfort composite, comme décrit dans le paragraphe 10.3.

10.1. Détermination de la longueur d’ancrage et du comportement d’interface en cisaillement selon les recommandations de l’AFGC

Dans le cas où on souhaite réaliser une exploitation de type « recommandations AFGC », il est indispensable de réaliser un collage conforme aux recommandations :

La largeur de la bande composite doit être de 60 mm dans le cas des tissus et de 20 mm dans le cas des plats pultrudés.

La longueur de collage doit être de 200 mm.L’épaisseur du renfort tf doit vérifi er la relation suivante :

avec : tf : Épaisseur du renfort composite, en mm, ff : Contrainte à rupture en traction du renfort composite, en MPa.

L’exploitation consiste ensuite à déterminer une loi de comportement en termes de contraintes moyennes de cisaillement et de déformations moyennes de cisaillement, la contrainte de cisaillement maximale en extrémité du joint collé, et une longueur d’ancrage expérimentale.

a. Loi de comportement selon les recommandations AFGC

Afi n de pouvoir déterminer la loi de comportement de l’interface, on devra déterminer :

a1. La contrainte moyenne de cisaillement La contrainte moyenne de cisaillement τad correspond à la valeur de l’eff ort appliqué divisée par la surface de collage et s’exprime en MPa.

avec : Fapp : Eff ort de traction appliqué, en N Scollage : Surface de collage, en mm2

ff f

430t

collage

appad S

Fτ en MPa


a2. La déformation moyenne de cisaillement La déformation moyenne de cisaillement (γad) correspond à la valeur du déplacement de l’extrémité du joint de colle (Δ, Fig. 13) divisée par l’épaisseur de la couche d’adhésif (ta) :

aad t

Δγ

La mesure directe de Δ n’est pas possible, il est donc nécessaire de calculer γad à partir des écartements Δmors et ΔL (Fig. 14) qui correspondent respectivement au déplacement du mors par rapport à sa position initiale et à l’allongement de la partie libre du renfort entre le mors et le béton. Soit :

Δmors = Δ + ΔLΔL résulte de la déformation de la partie libre du composite en traction, et peut donc être calculé à partir du module de traction du renfort ou d’une mesure de la déformation sur la longueur libre.

ta

ta

Δ

Adhésif à l'état initial

Adhésif déformé en cisaillement

Fig. 13 - Déplacement de l’extrémité du joint de colle.

a

mors

aad t

ΔLΔtΔγ

ΔL = L2 - Llibre

Llibre

Δmors

L2

Fig. 14 - Défi nition des déplacements.

On calcule alors la valeur de la déformation de cisaillement selon :


soit :

a

ff

libreappmors

ad tEA

LF

Si on exprime la déformation de traction de la partie libre du composite en fonction du module de traction du composite et de l’eff ort appliqué.avec : Fapp : Eff ort de traction appliqué, en N Af : Section du renfort composite, en mm² Llibre : Longueur libre du renfort entre le bord du mors et le bord du collage, en mm Ef : Module d’Young en traction du renfort composite, en MPa ta : Épaisseur de la couche de colle, en mm (à défaut de mesure précise,les recommandations de l’AFGC préconisent une épaisseur de 0,3 mm dans le cas des tissus, et de 1 mm dans le cas des plats) Δmors : Déplacement du mors, en mm γad : Déformation moyenne de cisaillement, en m/m.

On peut ensuite tracer la loi de comportement de l’interface qui sera considérée comme bi-linéaire (Fig. 15). On trace la contrainte moyenne de cisaillement en fonction de la déformation moyenne de cisaillement. La contrainte τad,e est défi nie comme étant la valeur de la contrainte moyenne de cisaillement à la limite de linéarité (correspondant au début de rupture du collage) déterminée par une variation de 10 % constatée sur la pente du diagramme des valeurs expérimentales contrainte moyenne /déformation moyenne.

On peut alors déterminer le module de cisaillement Gad de l’interface dans la première phase élastique (première pente) en MPa par la relation :

τad,u

τad

τad,e

τad,u

τad,e

τadGad

Fig. 15 - Caractéristique bilinéaire de l’interface selon les recommandations de l’AFGC.

ad

adad γ

τG


avec : τad : Cisaillement moyen de l’interface, en MPa γad : Déformation de cisaillement moyenne, en m/m

Gad est calculé pour des valeurs de τad telles que τad ≤ τad,e

avec : τad,e : Contrainte moyenne de cisaillement à la limite de linéarité

b. Contrainte maximale en extrémité du joint collé

L’étude du comportement global du joint est simplifi ée par l’utilisation de caractéristiques moyennées sur sa surface, telles que la contrainte moyenne de cisaillement et la déformation moyenne de cisaillement qui ont été défi nies précédemment. Cependant, en réalité, contrainte de cisaillement et déformation de cisaillement ne sont pas réparties de manière homogène dans le plan de collage. Dans certains cas, il peut être nécessaire de vérifi er la valeur de la contrainte de cisaillement en extrémité de joint (du coté de l’application de l’eff ort), là où elle est maximale.Les recommandations de l’AFGC proposent la formule suivante pour calculer la valeur de la contrainte maximale en extrémité de joint τad,max en MPa :

)100wtanh(1)100wtanh(

AE21

bE4001

wtGF

fffca

amax,ad

avec : cff

f

a

a

E2001

EAb

tG

w

avec : Ga : Module de cisaillement de la colle, en MPa ta : Epaisseur de la couche de colle, en mm F : Capacité maximale du joint, en N Ec : Module d’Young en traction du béton, en MPa Ef : Module d’Young en traction du renfort composite, en MPa Af : Section du renfort composite, en mm² bf : Largeur du renfort composite, en mm

c. Longueur d’ancrage expérimentale selon les recommandations AFGC

Si on considère que Fad,e est l’eff ort appliqué au moment du changement de pente (générant dans le joint de colle la contrainte τad,e) et que Rf correspond à la résistance en traction du renfort, on peut déterminer la longueur d’ancrage expérimentale.La longueur d’ancrage expérimentale est donnée pour Fad,e > Rf par la relation suivante :

e,ad

fexp,anc F

R*200l

avec : lanc,exp : Longueur d’ancrage expérimentale, en mm Rf : Eff ort de rupture du renfort en traction, en N (correspond au produit de la contrainte à rupture en traction par la section du renfort) Fad,e : Eff ort maximal avant émergence de la non-linéarité, en N (correspond au produit de la contrainte de cisaillement moyenne à la rupture de linéarité par la surface de collage)


Dans le cas où Fad,e = Rf, la longueur d’ancrage expérimentale sera considérée égale à 200 mm.

10.2. Déterminatioon de la longueur d’ancrage à partir de l’exploitation des courbes eff ort/déplacement

a. Cas de l’essai piloté en eff ortDans le cas de l’essai piloté en eff ort, il est possible de mesurer le déplacement additionnel à la rupture, c’est-à-dire le déplacement consécutif à la déformation élastique et résultant du décollement d’une certaine longueur correspondant à la longueur initialement collée moins la longueur d’ancrage. On trace une droite tangente à la courbe d’évolution du déplacement du mors par rapport au temps, et on obtient alors une mesure du déplacement additionnel à la rupture (Delta sur la fi gure 16) correspondant à la partie non élastique du fonctionnement du joint. Ce déplacement est considéré comme résultant de la propagation de la fi ssure, et est donc lié à l’élongation du composite devenu partiellement libre (joint endommagé).

Exemple :Si la valeur de Delta lue sur la courbe correspond au déplacement additionnel, on peut déterminer la longueur d’ancrage élastique expérimentale comme étant la diff érence entre la longueur collée et la longueur d’élongation avant rupture ; la longueur d’élongation avant rupture est déterminée à partir du déplacement additionnel Delta, selon l’expression :

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 150

5

10

15

20

25

30

Effort (N)Déplacementdu mors (µm)

Temps (s)

Delta

Effort (N)Déplacement du mors (µm)

Fig. 16 - Résultats d’un essai piloté en eff ort.

ff

félong

t*bF

E*DeltaL → élongcollageel,anc LLl


avec : Lélong : Longueur d’élongation avant rupture, en mm Delta : Déplacement additionnel, en mm Ef : Module d’Young en traction du renfort, en MPa bf : Largeur du renfort, en mm tf : Épaisseur du renfort, en mm F : Capacité maximale du joint, en N lanc,el : Longueur d’ancrage élastique expérimentale, en mm Lcollage : Longueur de collage, en mm

b. Cas de l’essai piloté en déplacementDans le cas de l’essai piloté en déplacement, il est plus simple de défi nir le déplacement additionnel, car le phénomène de propagation de la fi ssure est moins rapide. On doit se placer à un certain pourcentage (en général, 95 %, Fig. 17) de la charge maximale du joint, et on en déduit la valeur du déplacement du mors au début de la propagation.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20

0

10

20

30

40

50

60

70

95% de F

Effort (N)

Déplacementdu mors (µm)

Temps (s)

Delta

Effort (N)Déplacement du mors (µm)

Fig. 17 - Résultats d’un essai piloté en déplacement.

Comme précédemment, on peut alors déterminer la longueur d’ancrage expérimentale, mais il s’agit ici de la longueur d’ancrage expérimentale totale comprenant donc longueur élastique et longueur endommagée. On remplace donc dans la dernière formule le terme longueur d’ancrage élastique expérimentale Lanc,el par le terme longueur d’ancrage totale expérimentale Lanc,tot.

élongcollagetot,anc LLl =

ff

félong

t*bF

E*DeltaL →


avec : Lélong : Longueur d’élongation avant rupture, en mm Delta : Déplacement additionnel, en mm Ef : Module d’Young en traction du renfort, en MPa bf : Largeur du renfort, en mm tf : Épaisseur du renfort, en mm F : Capacité maximale du joint, en N lanc,tot : Longueur d’ancrage totale expérimentale, en mm Lcollage : Longueur de collage, en mm

10.3. Détermination de la longueur d’ancrage à partir de l’exploitation des données des jauges de déformation

Il est possible de visualiser le phénomène de longueur d’ancrage en s’intéressant aux résultats des jauges de déformation. Pour ce faire, on trace les profi ls de déformations enregistrés au cours de l’essai pour diff érents niveaux d’eff ort, comme représenté en fi gure 18. Pour un niveau de chargement sollicitant le joint de manière élastique (par exemple, la moitié de l’eff ort à rupture), on peut défi nir la longueur d’ancrage comme étant la longueur sur laquelle les déformations du renfort composite sont signifi cativement non nulles. Ainsi, en fi gure 18, on remarque que les déformations sont signifi cativement non nulles pour une longueur de 130 mm environ. Ce e détermination de la longueur d’ancrage reste approximative, la précision dépendant notamment du nombre de jauges utilisées au droit du joint collé.

0

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0 50 100 150 200Abscisse (mm)

Déformationaxiale

du renfort Endommagement ou fissuration du joint

Longueur d'ancrage caractéristique

Paramètred'asservissementcroissant

Fig. 18 - Tracé des profi ls de déformation au cours d’un essai.

Si on s’intéresse aux résultats pour un eff ort trop important, un endommagement et une fi ssuration du béton peuvent avoir eu lieu, et ceci augmenterait donc de manière inexacte la longueur d’ancrage déduite. Ce phénomène est visible sur les résultats des profi ls de déformation : on remarque en particulier que les valeurs des deux premières jauges de déformation sont pratiquement identiques, pour des niveaux de charge élevés, indiquant


une fi ssuration de l’assemblage (le composite n’est plus collé, il travaille donc en traction de façon uniforme sur la longueur décollée, du moins si on néglige le fro ement - les valeurs enregistrées par les jauges sont donc proches).Ce type de résultat est à considérer avec précaution puisqu’il dépend du maillage de mesure des déformations (nombre et emplacement des jauges) et qu’il peut également être aff ecté par des phénomènes de fl exion locale.

11. Compte-rendu

Le compte-rendu d’essai devra comporter un relevé minutieux :des dimensions de la dalle de béton utilisée ainsi que du type de procédé testé,des conditions environnementales lors de la préparation des échantillons et lors des

essais,des durées laissées à l’adhésif pour polymériser avant essai,des paramètres de pilotage de l’essai,des résultats expérimentaux et de leur exploitation,des résultats des essais additionnels ou/et des données des fi ches techniques pour les

matériaux en présence.Un exemple de fi che de suivi d’échantillon est donné ci-après.

Deux annexes sont ensuite fournies :l’annexe A porte sur la méthode de modélisation de l’interface par l’utilisation d’un

modèle bilinéaire de zone cohésive,l’annexe B présente quelques résultats classiquement obtenus.


Essais de cisaillement à simple recouvrement pour caractériser l'adhérence de renforts composites collés sur béton: Suivi d'échantillon

Nom de l'échantillon: ……….Type de procédé: ……….

Dimensions de la dalle béton (Largeur*Longueur*Epaisseur):

………..

A) Phase de préparation

Date: …. Type de préparation de surface: ….

Température, en Degrés Celsius: …. Personne en charge de la préparation: ….

Humidité Relative, en %: …. Température de surface, en Degrés Celsius: ....

Longueur collée, en mm: …. Epaisseur moyenne du renfort, en mm: ….

Longueur libre, en mm: …. Epaisseur moyenne de la couche de colle: Largeur du renfort, en mm: ….

Remarques éventuelles:

B) Phase d'essai de cisaillement

Date: …. Personne en charge de l'essai: Température, en Degrés Celsius: …. Nom du fichier de résultat d'essai et localisation: … Humidité Relative, en %: ….

Type de pilotage: …. Type de rupture:….

Vitesse de pilotage: …. Charge maximale du joint, en N: ….

Présence ou non de jauges de déformation:

Remarques éventuelles:

C) Essais ou données additionnels

Moyenne des essais de pastillage, en MPa: … Module de traction du renfort, Ef en MPa: ….

Moyenne des résistances en compression du béton, fc en MPa: …

Contrainte à rupture en traction du renfort, ff en MPa: ….

Module de traction du béton, Ec en MPa: …

Module de cisaillement de la colle, Ga en MPa: …. Moyenne des mesures de rugosité, en μm: ….

Moyenne des mesures de la dureté Shore D en correspondance avec dates des essais:

….

Moyenne des mesures de la température de transition vitreuse Tg avec dates des essais:

….

D) Exploitation des résultats selon la méthode AFGC

Loi de comportement de l'interface Contrainte moyenne de cisaillement à l'état de changement de pente, en MPa:…

Module de cisaillement de l'interface, en MPa: …

Contrainte moyenne de cisaillement à la rupture, en MPa: …. Déformation moyenne à la rupture: …

Valeur de la contrainte maximale en extrémité de plaque, en MPa: ….

Valeur de la longueur d'ancrage expérimentale, en mm: …


ANNEXE A

Détermination de la longueur d’ancrage et du comportement d’interface en cisaillement

à l’aide d’un modèle bilinéaire de zone cohésive

Ce e méthode s’appuie sur la formulation d’un modèle rhéologique caractéristique de zone cohésive qui décrit localement le comportement de l’ensemble constitué de la couche d’adhésif et des deux interfaces. Le modèle de comportement caractéristique est exprimé, en tout point du joint collé, en terme d’évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du glissement ; celui-ci correspondant au déplacement horizontal relatif des deux adhérents qui sont dans notre cas le béton et le renfort composite. L’intégration de ce modèle sur toute la longueur de collage permet de rendre compte du comportement global du joint collé.

a. Loi caractéristique d’interfaceLa loi caractéristique d’interface peut être défi nie à partir de trois paramètres (Fig. A1). Nous avons choisi de déterminer la valeur de la contrainte de cisaillement maximale τf, la valeur de la pente en zone élastique τf /δ1, et la valeur du glissement maximal δf.

Cisaillement (MPa)

Glissement (mm)

Transfertnon linéaire

δ1

τf

δf

Comportementélastique

Fig. A1 - Modèle bilinéaire de zone cohésive caractéristique de l’interface.

a1. La contrainte de cisaillement maximale τf

Après avoir vérifi é que le mode de rupture est bien cohésif dans le béton, on s’appuie sur les essais de caractérisation du matériau béton pour déterminer la valeur maximale de la contrainte de cisaillement. Celle-ci est donnée par la formule spécifi ée dans le guide de recommandations italien CNR-DT (Référence précisée dans le chapitre 3).


bf : La largeur du renfort composite, en mm bc : La largeur du bloc béton, en mm fc : La résistance moyenne en compression du béton, en MPa fctm : La résistance en traction du béton telle que défi nie dans les eurocodes, en MPa

a2. La pente en zone élastique τf /δ1

Dans le cas où on ne dispose pas de mesures de déformations (jauges de déformation) du renfort composite, la pente de la zone élastique est déterminée à partir de l’équation suivante représentant la déformation en cisaillement totale sur l’épaisseur d’une couche équivalente constituée de la couche adhésive et de la peau supérieure du béton.

ctmcf

f ff*

400b

1

M2*64,0

avec : c

f

bb

;33,0maxM :

c

c

a

a

1

1

f

Ge

Gt

c

avec : ta : L’épaisseur du joint de colle, en mm Ga : Le module de cisaillement de l’adhésif, en MPa ec : L’épaisseur de la couche de béton aff ectée, en mm (valeur conseillée entre 20 et 30 mm ; 25 mm par défaut) Gc : Le module de cisaillement du béton, en MPa c1 : Un paramètre d’ajustement (valeur conseillée comprise entre 0,5 et 0,7 ; 0,6 par défaut)

Dans le cas où on dispose de mesures de jauges de déformation, il est possible de déterminer la pente dans le domaine élastique en utilisant les mesures pour de faibles charges et en corrélant profi l théorique et mesures expérimentales. Ceci est davantage détaillé dans les documents cités en partie «références normatives et bibliographiques».

a3. Le glissement maximal δf

La valeur du glissement maximal est ensuite déterminée à partir des résultats expérimentaux en terme de capacité ultime. Elle peut être exprimée par la relation suivante :

ff2ff

2

f tEbF

avec : bf : La largeur du renfort composite, en mm Ef : Le module d’Young dans l’axe de traction du renfort composite, en MPa tf : L’épaisseur du renfort composite, en mm F : Capacité maximale du joint mesurée expérimentalement, en N


a

ffaelast G

Ett*1

1L

b. Longueur d’ancrage déterminée par la loi caractéristique d’interfaceLa longueur d’ancrage ultime est donc composée de deux longueurs d’ancrage : une partie élastique (0 ≤ δ ≤ δ1) et une partie endommagée (δ1 ≤ δ ≤ δf). Pour la partie élastique, on peut utiliser la théorie élastique classique de O. Volkersen (Volkersen O., Die Nietkra verteilung in zugbeanspruchten mit konstanten Laschenquerschri en, Lu fahrtforschung, vol. 15, pp. 41-47, 1938) et déterminer la longueur d’ancrage Lelast fonction d’un paramètre d’effi cacité ξ :

avec : ta : L’épaisseur de la couche de colle, en mm tf : L’épaisseur du renfort composite, en mm Ef : Le module d’Young dans l’axe de traction du renfort composite, en MPa Ga : Le module de cisaillement de l’adhésif, en MPa ξ : Un paramètre d’effi cacité qui correspond au pourcentage d’eff ort ultime pour la longueur déterminée par rapport à un joint de longueur infi nie (on conseille d’utiliser une valeur de 0,9)

Pour la partie endommagée, il est possible de déterminer la longueur maximum endommagée avant fi ssuration Lanc,end. Celle-ci est déterminée par l’équation suivante :

1tan*)(tEL1

f1

f

1fffend,anc

avec : Ef : Le module d’Young dans l’axe de traction du renfort composite, en MPa tf : L’épaisseur du renfort composite, en mm

Ces longueurs d’ancrage peuvent bien entendu être également visualisées dans le cas d’une instrumentation par jauges de déformation.


ANNEXE B

Quelques exemples de résultats

Eff ort-Déplacement

Ci-contre deux exemples de résultats caractéristiques du comportement eff ort-déplacement du mors pour des joints collés. On y distingue trois parties :

une première partie liée au serrage du mors conique pour laquelle le déplacement du mors évolue rapidement alors que la sollicitation du joint collé reste faible ;

une partie quasi-linéaire relative à la raideur de l’assemblage ;

et enfi n une partie « plateau » pour laquelle l’eff ort reste constant alors que le déplacement du mors augmente. Ceci est caractéristique des assemblages renfort composite/béton étudiés.

Profi ls de déformation le long du renfort

Ci-contre, un exemple de résultats concernant l’exploitation des mesures des jauges de déformation. Les mesures sont représentées par les points et reliées par des droites pour visualiser la forme du profi l de déformation le long du joint collé. On remarque que les déformations se concentrent sur le bord du joint collé. Ce phénomène est directement relié à la longueur d’ancrage, caractéristique de l’assemblage par collage.

Fig. B1 - Déplacement des mors.

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200Abscisse le long du joint (mm)

Déformation (x10-6)

B-2A-2

Fig. B2 - Profi ls de déformation.

Document publié par le LCPC sous le numéro C1502560 Conception et réalisation LCPC-DISTC, Marie-Christine Pautré Infographie LCPC-DISTC, Philippe Caquelard Impression Jouve N° Dépôt légal 2e trimestre 2010

ISSN 1167-489X

Réf : ME 72Prix : 25 Euros HT

techniques et méthodesdes laboratoires des ponts et chaussées

Méthode d’essai des lpc n°72

Essai de cisaillementà simple recouvrement

pour caractériser l'adhérencede renforts composites

collés sur substrat béton

Cette méthode d'essai décrit un test de cisaillement par traction directe permettant de caractériserle joint adhésif entre un renfort externe en matériau composite et un élément de structure en béton.Ce test conduit à la détermination d'indicateurs d'efficacité du procédé, tels que la capacité maximaledu joint collé en termes d'effort repris, et la longueur d'ancrage effective. Plusieurs méthodesd'exploitation des résultats sont ensuite proposées afin de répondre à la fois aux problématiques dedimensionnement des ingénieurs de génie civil et aux besoins des chercheurs.

This technical guideline describes a shear test by direct tension which aims at characterizing theadhesive bond (or glued interface) between an external composite reinforcement and a concretestructure. This test provides relevant efficiency indicators for the strengthening system, such as themaximum shear capacity of the bonded joint and the effective transfer length. Several methods arealso proposed for the interpretation of experimental data, in order to address both the design issuesmet by civil engineers and the specific needs of researchers.

ME72.qxd 09/03/2010 16:09 Page 1

Essai de cisaillement à simple recouvrement pour caractériser l ...

Documents

Transcript of Essai de cisaillement à simple recouvrement pour caractériser l ...