Comportement et modélisation des connecteurs dans une structure mixte (acier-béton)

Behavior and modeling of connectors in a mixed structure (steel-concrete)

• Auteur / Autrice : Moulay Idriss Tabet-Derraz
• Direction : Abdelouahab Khelil, Karim Hamdaoui, Nadir Boumechra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 18/07/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Abou Bekr Belkaid (Tlemcen, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Djamel El Ddine Kerdal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelouahab Khelil, Karim Hamdaoui, Nadir Boumechra, Isabelle Titeux, Firas Al Mahmoud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Djamel El Ddine Kerdal, Isabelle Titeux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poutres métalliques

Dalles en béton

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Assemblages (technologie)

Construction mixte

Mots clés libres

Connecteurs

Poutre mixte

Comportement des connecteurs

Composite beam

Behavior of connectors

Connectors

Résumé

Le principe des poutres mixtes acier-béton est d'associer une dalle de béton et une poutre en acier pour un travail en commun. Les connecteurs de cisaillement sont des outils mécaniques qui ont le rôle d'assurer la connexion entre les deux matériaux à l'interface des poutres mixtes. Une variété de connecteurs de cisaillement a été proposée dans la littérature afin de fournir un comportement approprié à l'interface acier-béton. Les connecteurs à goujon à tête sont les plus largement utilisés dans la construction mixte en raison des recommandations des codes du bâtiment. Cependant, ces derniers présentent des inconvénients notables en termes de performances structurelles et de praticabilité sur les chantiers. Dans cette présente thèse, un nouveau type de connecteur innovant en forme d'OMEGA a été proposé en deux conceptions géométriques (forme primaire et forme améliorée) pour être une alternative aux connecteurs conventionnels. En plus d'avoir un processus de fabrication simple et une installation pratique à l'interface de la poutre mixte, la forme de ce connecteur permet une grande surface de béton confiné, le rendant ainsi plus résistant au cisaillement et au soulèvement de la dalle. Dans cette recherche, des tests expérimentaux de push-out ont été effectués sur le connecteur OMEGA avec différentes configurations pour étudier leur résistance, leur ductilité et leur mode de ruine dans la connexion acier-béton. Des spécimens de push-out supplémentaires avec les connecteurs conventionnels de type goujon à tête ont également été testés dans le but de comparer les performance des connecteurs OMEGA avec celles des goujons à tête standard. Les résultats ont démontré que le connecteur en forme d'OMEGA proposé présente un comportement intéressants dans la connexion acier-béton et pourrait donc être utilisé comme connecteur de cisaillement alternatif pour les poutres mixtes. De plus, un modèle numérique EF de l'essai de push-out sur les connecteurs OMEGA a été développé dans cette thèse à l'aide du logiciel Abaqus. Le but est d'approfondir les investigations sur ce connecteur proposé, en menant une étude paramétrique qui vise à évaluer les influences des dimensions du connecteur et de la résistance de la dalle de béton sur le comportement interne de la connexion acier-béton. En outre, en exploitant les résultats de l'étude paramétrique, une équation de prédiction de la résistance au cisaillement des connecteurs OMEGA a également été développée. Par ailleurs, des essais de poutre mixte avec les connecteurs OMEGA disposés à l'interface ont également été réalisés dans le cadre de cette thèse, en réalisant un spécimen de poutre mixte avec une connexion complète et un autre avec une connexion partielle. L'objectif de cette étude est d'analyser l'influence du comportement des connecteur OMEGA dans la connexion sur le comportement global de la poutre mixte. Les résultats ont affirmé que l'utilisation des connecteur OMEGA assure un comportement adéquat aux poutres mixtes, même avec un degré de connexion réduit.

The principle of steel-concrete composite beams is to combine a concrete slab and a steel beam for joint work. Shear connectors are mechanical tools that have the role of ensuring the connection between the two materials at the interface of the composite beams. A variety of shear connectors have been proposed in the literature to provide suitable behavior at the steel-concrete interface. Headed stud connectors are most widely used in composite construction due to building code recommendations. However, the latter have significant drawbacks in terms of structural performance and practicability on construction sites. In this present thesis, an innovative new type of OMEGA-shaped connector has been proposed in two geometric designs (primary shape and improved shape) to be an alternative to conventional connectors. In addition to having a simple fabrication process and convenient installation at the composite beam interface, the shape of this connector allows for a large confined concrete zone, making it more resistant to shear and slab uplift. In this research, experimental push-out tests were performed on OMEGA connector with different configurations to study their strength, ductility and failure mode in the steel-concrete connection. Additional push-out specimens with conventional headed stud type connectors were also tested in order to compare the performance of OMEGA connectors with that of standard headed studs. The results demonstrated that the proposed OMEGA-shaped connector exhibited interesting behavior in steel-concrete connection and which can be used as an alternative shear connector for composite beams. In addition, an FE numerical model of the push-out test on OMEGA connectors was developed in this thesis using Abaqus software. The goal is to deepen the investigations on this proposed connector, by conducting a parametric study that aims to evaluate the influences of connector dimensions and concrete slab strength on the internal behavior of the steel-concrete connection. Moreover, by exploiting the parametric study results, an equation for predicting the OMEGA connectors shear strength was also developed. Furthermore, composite beam tests with OMEGA connectors arranged at the interface were also carried out as part of this thesis, by producing a composite beam specimen with a complete connection and another with a partial connection. The objective of this study is to analyze the influence of OMEGA connectors mechanism in the connection on the overall behavior of the composite beam. The results affirmed that the use of OMEGA connectors ensure adequate behavior to composite beams, even with a reduced degree of connection.