Dimensionnement à l’effort tranchant des éléments de structure en béton armé en présence d’un effort axial de traction-compression

Shear design of reinforced concrete structural elements with axial tensile-compressive load

• Auteur / Autrice : Amal Wahbi
• Direction : Patrick de Buhan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 02/11/2021
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Multi-échelle
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : François Buyle-Bodin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick de Buhan, Aurelio Muttoni, Mohammed Hjiaj, Anne-Sophie Colas, Duc Toan Pham, Ghazi Hassen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurelio Muttoni, Mohammed Hjiaj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinématique

Facteur de charge

Essais

Béton armé

Mots clés libres

Effort tranchant

Effort axial

Béton armé

Calcul à la rupture

Essais

Shear force

Axial force

Reinforced concrete

Yield design

Tests

Résumé

L’objectif de la thèse est de présenter des méthodes de dimensionnement d’éléments en béton armé soumis d’une part à un chargement transversal et d’autre part à une charge axiale et un moment fléchissant appliqués aux extrémités. Ces méthodes permettent in fine de prédire la résistance à l’effort tranchant en tenant compte de l’influence de la traction et de la compression axiales, ainsi que du moment fléchissant. Pour cela, il est choisi de se baser sur l’approche cinématique de la théorie du calcul à la rupture qui offre un cadre rigoureux pour la détermination, de manière rapide et directe, d’estimations par excès des charges ultimes. A cet effet, différents mécanismes de ruine virtuels ont été proposés permettant l’élaboration de méthodes de calculs semi-analytiques par l’extérieur du domaine de résistance. Afin d’explorer des champs de vitesses virtuelles plus riches que ceux étudiés dans ces calculs semi-analytiques, l’approche cinématique a été également mise en œuvre numériquement dans le cadre d’une méthode du type éléments finis.Par ailleurs, deux campagnes expérimentales ont été réalisées, visant l’étude de poutres en béton armé, renforcées ou non avec des armatures transversales, et soumises à la même combinaison de chargement considérée dans les calculs semi-analytiques et numériques. Ces essais ont permis de mettre en évidence expérimentalement l’influence de la charge axiale et du moment sur la résistance à l’effort tranchant, ainsi que d’identifier les mécanismes de fissuration des poutres à travers une analyse par corrélation d’images numériques. De plus la confrontation entre les résultats expérimentaux et les prédictions de certains codes de construction ont permis d’évaluer leur pertinence dans le dimensionnement vis-à-vis des chargements étudiés.Finalement, les approches proposées ont été comparées aux résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ce travail, ainsi que ceux disponibles dans la littérature. Les méthodes ont également été confrontées aux estimations obtenues par des formules analytiques proposées dans la littérature sur la base de l’approche cinématique par l’extérieur également, ainsi qu’aux résultats numériques fournis par un logiciel commercial de calculs par éléments finis basé aussi sur le même principe.

The present work deals with design methods for reinforced concrete (RC) elements subjected to a transverse load, combined with an axial load and a bending moment both applied at their ends. Using these methods, the shear strength of RC elements can be estimated taking into account the influence of axial tension and compression, as well as the applied bending moment. For that purpose, several semi-analytical methods were proposed based on the kinematic approach of the yield design theory. Using different virtual failure mechanisms, this approach makes it possible to compute upper estimations of the ultimate loads, and consequently the resistance domain, of the studied structure. In order to consider a larger field of virtual failure mechanisms, the kinematic approach was implemented numerically by means of a finite element method.Besides, two experimental campaigns were performed on RC beams, with and without shear reinforcements, subjected to the same combination of loadings considered in the proposed semi-analytical and numerical methods. The analysis of the results made it possible to identify the influence of the applied loads on the shear strength of RC elements. In addition, the use of Digital Image Correlation technique provided important information on the evolution of the cracking of the beams. Moreover, the comparison of the experimental results with the predictions of some design codes allowed to evaluate their accuracy in the shear design of RC elements subjected to such loading configuration.Finally, the proposed design methods were compared to the experimental results of these two campaigns, as well as to the results of some tests available in the literature. The methods were also confronted to the predictions of some analytical methods proposed by other researchers on the basis of an upper-bound approach as well, in addition to the numerical estimations of a finite-element commercial software based also on this method.