Mise au point et caractérisation d’un système innovant de poutre hybride béton-acier : étude des comportements locaux et globaux

Development and characterisation of an innovative system of a concrete-steel hybrid beam : study of local and global behaviours

• Auteur / Autrice : Clémence Lepourry
• Direction : Hugues Somja
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 29/10/2019
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique / LGCGM
• Jury : Président / Présidente : Hervé Degée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hugues Somja, Hervé Degée, Nicolas Boissonnade, Pierre Latteur, Barbara Rossi, Roland Bärtschi, Franck Palas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Boissonnade, Pierre Latteur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gros oeuvre (construction)

Construction mixte

Mots clés libres

Poutre hybride béton-Acier

Assemblage sans boulons

Connecteurs de cisaillement en cornières

Interaction partielle

Assemblage poteau mixte-poutre hybride

U-shaped concrete steel beam

L angle shear connectors

Partial interaction

Easy assembly

Concrete steel composite joint

Résumé

L’objectif principal de cette thèse de doctorat est le développement et la caractérisation d’un procédé de poutres de grandes portées adapté aux entreprises de gros œuvre. En effet, les technologies industrielles existantes pour répondre à des franchissements importants ne sont pas en accords avec le savoir-faire des équipes chantiers. Dès lors, le groupe Legendre, par sa filiale Ingénova, a souhaité mettre au point une solution, simple de par sa mise en œuvre sur chantier, et qui vise un niveau d’exigence structurelle similaire aux technologies actuelles. Composée d’une poutre béton armé renforcée par une peau métallique extérieure, la poutre hybride béton-acier est la solution étudiée au sein de ce mémoire pour répondre à cette problématique. Pour assurer l’équilibre des efforts entre les deux matériaux, un système de connexion inédit a été développé. La caractérisation expérimentale n’ayant validé que deux dimensions de connecteurs, le modèle numérique a permis d’étendre l’étude et ainsi, déterminer une formule de dimensionnement généralisée. Le comportement local de la poutre connu, les investigations expérimentales se sont orientées sur la réponse de la poutre soumise à une flexion positive. L’impact de la connexion partielle en comparaison de la connexion complète a été quantifié à la fois sur la résistance de la poutre et sur ses déformations. Le modèle numérique, calibré sur les résultats des essais, a permis de valider l’utilisation de modèles analytiques issus de la littérature, adaptés au cas de la poutre hybride. Enfin le dernier volet de cette thèse concerne l’assemblage de la poutre hybride béton-acier avec un poteau mixte acier-béton tubulaire. Après une série d’essais pour caractériser la résistance et la rigidité de ce joint innovant, un modèle numérique de cette configuration a mis en évidence les transferts d’efforts nécessaires entre les deux matériaux. Ces derniers complètent le mode de fonctionnement classique de l’assemblage qui superpose à la fois un comportement béton armé et un comportement métallique. Un modèle analytique, développée au sein de cette thèse, a confirmé le dimensionnement de l’assemblage.Les résultats présentés dans ce mémoire ont été suffisants pour tester le procédé de poutre hybride béton-acier sur un chantier pilote. Le gain de la solution en comparaison aux technologies existantes a été confirmé par les équipes chantiers.

The main goal of this Ph.D thesis is the development and the characterization of a solution for long-span beams in concrete buildings. Pre-stressed or composite beams are the possible technologies for beams up to twenty metres, but they are not adapted for concrete constructors. The main objective of Ingenova, the research and development affiliate of Legendre is to find a solution, which can be set up easily by concrete workers with good structural performance. The proposed solution is the concrete-steel hybrid beam, made of U-shape steel profile used as permanent formwork to encase a concrete beam. The association of the two beams also gives a convenient solution adapted to concrete builders. In this thesis, a series of experimental and numerical tests have been performed in order to assess the global and the local behaviour of the beam and its connections.Firstly, the connexion between concrete and steel is achieved by L-shaped angles welded on the upper flanges of the steel beam. Their behaviour has been studied by performing asymmetric push-out tests, which were used to validate a detailed finite element model. Based on the results obtained from a numerical parametric study of the validated a finite element model, an analytical expression of the shear resistance was then proposed.The global behaviour in sagging of the concrete-steel hybrid beam was also investigated by experimental and numerical tests. The impact of the partial interaction under deflection and bending moment resistance have been studied. The results show a ductile behaviour of the concrete-steel hybrid beam both in partial and in full interaction. Finally, an analytical method has been adapted to determine the ultimate flexural capacity of this innovative beam considering the degree of connection. The last part of this work concerns the joint between the concrete-steel hybrid beam and a concrete-filled steel tubular column. The behaviour of this hybrid joint was verified by full-scale experimental tests. A finite element model has also been developed in order to investigate more deeply into the load transferring mechanism within the joint. This FE model is validated by comparing its results against experimental data. An analytical model for the design of the joint is then proposed.This new technology has already been used in actual projects during the thesis. The design procedure of the members and of the joints has been approved by the CSTB, the French certification organism of construction. First feedback for the on-site erection were good, and workers enjoyed the quick assembly and the increase of security on site.