Comportement mécanique instantané des structures hybrides GFRP-béton

Mechanical Behavior of GFRP-Concrete hybrid Structures

• Auteur / Autrice : Alaa Koaik
• Direction : Bruno Jurkiewiez, Sylvain Bel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et structures
• Date : Soutenance le 08/09/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Matériaux Composites pour la Construction (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Catherine A. Davy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julia de Castro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Caron, Evelyne Toussaint

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flexion (mécanique)

Collage (matériaux)

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Structure hybride

Butée mécanique

Collage

Push-out

Flexion

Modèle analytique multicouches

Simulation 3D

MEF

Hybrid structure

Mechanical studs

Bonding

Push-out

Bending

Multilayers analytical model

3D simulation

FEM

Résumé

L'utilisation des composites dans la construction des bâtiments ou des ouvrages d'art est de plus en plus importante car ces matériaux présentent des atouts indiscutables comme un très bon rapport performance / poids ou une facilité de mise en oeuvre. Cependant, leur essor est ralenti par certaines faiblesses dont l'une des plus importantes est leur souplesse qui induit des déplacements élevés et des risques d'instabilités importants qui ne permettent pas d'exploiter tout le potentiel de ces matériaux. Dans le cas d'éléments de structure fléchis, une des solutions consiste à associer les profilés composites à une dalle en béton armé. La connexion est établie par des butées mécaniques, par collage, ou l'association des deux. L'objectif général de ce travail est d'étudier le comportement des structures mixtes GFRP-Béton fléchies sous chargement statique instantané : Cette étude comporte un volet expérimental lourd et un volet de modélisation numérique. Elle a été abordée à 3 échelles : matériaux, interface, et structure. Trois modes de connexion ont été exploités. Sur le plan expérimental, nous avons d'abord caractérisé tous les matériaux utilisés : composite, béton, adhésif, acier des armatures et des connecteurs. Puis, la caractérisation à l'échelle de l'interface a été effectuée par l'essai push-out dans différentes configurations (7 séries d'essais au total). Enfin, le comportement à l'échelle d'éléments de structure a été étudié sur des mono-poutres pour des portées allant de 2 m à 4.8 m, sur des poutres composites seules ou sur des poutres mixtes (10 poutres au total). Une passerelle bi-poutre de 4.8 m de portée a également été testée dans la même configuration et jusqu'à la ruine. La modélisation du comportement de ces poutres hybrides a été effectuée selon 2 cas théoriques. Elles ont d'abord été modélisées dans le cadre de la théorie des poutres multicouches, dans le domaine élastique et à l'approche de la ruine. Selon le mode de connexion, le glissement à l'interface est pris en compte ou négligé. Ces poutres ont également été modélisées par la MEF en utilisant des éléments volumiques et en considérant une connexion parfaite. Les résultats d'essais montrent le comportement correspondant à chaque mode de connexion : la connexion par butées mécaniques simples est à ce jour celle qui s'avère la plus efficace. Les écarts modèle / calculs restent acceptables sauf à proximité de l'interface où les déformations peuvent être affectées par la fissuration du béton qui reste difficile à prédire de façon précise. La simulation numérique donne des valeurs très proches de la réalité et répond aux questions posées lors de l'expérience

Advanced composites are increasingly used in construction thanks to their indisputable advantages such as high strength to weight ratio and ease of implementation. However, their growth is hindered by a main weak point: low stiffness. Advanced composites risk instabilities under high loads which make it not possible to exploit their full potential. Considering flexural elements, one of the solutions proposed consists in associating the composite profiles with a reinforced concrete slab. The connection of both materials is either established by bolting, bonding or a combination of both techniques.In this study, 3 different connection modes were tested on structural elements with different spans. Previously, to characterize the mechanical behavior of the interface, 35 push out specimens having bolted or bonded connections were prepared and tested. In addition, all materials used were characterized.A composite beam (Pu1) and 8 hybrid beams (PB1-PB8) were tested under 3 points bending up to failure. The results are exploited to construct and test a hybrid footbridge. 7 push out series were tested and digital image correlation was used to analyze the behavior at the interface and measure the displacement fields to determine the slip. Concrete, GFRP, bolts, the adhesive and the concrete reinforcing steel bars were all characterized.The experimental data obtained from the tests is compared to calculation results obtained by a multi-layer beam model within service limit states and at ultimate ones. Besides, a 3D finite element model was developed to provide more accurate results.The results allow distinguishing 3 behavior modes relative to the 3 connection types: the connection by mechanical studs proves to be the most efficient so far. The measurements are also compared to the results obtained by a multi-layer beam model. The differences are acceptable except in the vicinity of the interface where the deformations can be affected by the cracking of the concrete which remains difficult to predict precisely. The 3D simulations present with an excellent agreement the experiments and explain some observations obtained