Axe 3 - Réglementation et Ingénierie

Responsable : CORTADE Jacques – Jacques CORTADE Consultant : jacquescortade@wanadoo.fr - 01 30 80 42 23

1. Introduction

L’objet du PN CEOS.fr est, sur les phénomènes de fissuration des structures en béton, d’acquérir une connaissance théorique, basée sur l’expérimentation et la modélisation numérique, suffisante pour permettre notamment de :  

􀂉 mettre au point et proposer des outils d’ingénierie assez simples pour être utilisés par les professionnels des études de Génie Civil,  

􀂉 valider le domaine d’application des Règlements existants et proposer des règles et des méthodes d’ingénierie pour les ouvrages sortant du domaine d’application des règlements et pratiques existantes.

 La présente section est consacrée à la présentation des tâches liées aux problèmes de l’ingénierie, notamment les modélisations à mettre en œuvre dans le cadre des projets par les bureaux d’étude et les règles et méthodes de calcul de la fissuration à insérer dans des textes de nature normative ou des règles de l’art.  

2. Objectifs en termes d’ingénierie et de normalisation

Les documents ayant servi de base aux différentes parties des Eurocodes devront être analysés, ainsi que le code modèle FIP-CEB (y compris ses évolutions de 1978 à 1990) et les documents étrangers traitant du sujet (ACI 207 béton de masse, ACI 209 retrait et fluage, ACI 224 fissuration, ACI318 structures en béton, dont les chapitres relatifs à la fissuration ont été réécrits récemment,….). De même les thèses ou publications sur ces thèmes seront examinées.

Pour les déformations gênées, peu de documents à caractère réglementaire ou normatif traitent de ces sujets globalement. Les éléments normatifs sont répartis dans différents documents dont les limites de validité ne sont pas explicites et pas forcément cohérentes (EN1992-1-2 pour les caractéristiques thermiques du béton vis-à-vis du feu, EN1992-3 pour l’estimation des déformations gênées, EN1992-1-1 ou 1992-2 pour l’estimation des déformations de retrait et fluage,…).

Les pratiques d’ingénierie actuelles restent empiriques et disparates. Elles s’appuient sur quelques éléments de la réglementation permettant d’estimer les lois contraintes-déformations ou effort-déplacements pour justifier la résistance, et/ou sur des règles de ferraillage minimal.

Les retours d’expérience d’ouvrages existants devront être analysés (maquette d’essai d’enceinte en air et en vapeur MAEVA-EDF, comportement d’une paroi mince soumise à un gradient thermique-LCPC ; fissuration au jeune âge de voiles de 1,20 m d’épaisseur-galeries EDF, comportement thermo-hydrique d’un cylindre en béton-MAQBETH, fissuration d’aéroréfrigérant…), au regard des méthodes et formules existantes.

Les documents de référence ou à caractère normatif (manuels du CEB, BAEL ou Eurocode 2) ne traitent pas de fissuration en sollicitation cyclique, surtout en situation accidentelle ou sismique.

La fissuration peut être provoquée par trois types de chargements, qui nécessitent des analyses et des connaissances différentes. Nous allons donc aborder ces trois chargements séparément, du point de vue de la normalisation.

2.1 Chargements statiques monotones.

Les avancées attendues concernent les limites de validité des méthodes et formules existantes et l’établissement de formules et méthodes pour les structures sortant de ces limites, c'est-à-dire les ouvrages de grandes dimensions.

2.2 Déformations imposées.

L’état de contrainte dépend de la façon dont les déformations sont gênées (dalle sur le sol, levée de bétonnage sur un béton plus ancien, dalle coincée entre des voiles massifs….). Ceci devra être plus détaillé que dans l’Eurocode 2.

L’estimation de la répartition des déformations dans la pièce de béton qui dépend des caractéristiques thermiques du béton et de l’évolution de l’humidité du béton, est une difficulté qui n’est pas considéré dans l’EN1992-1-1.

Enfin, dans le cas de pièces épaisses, l’état de contrainte d’origine mécanique est souvent faible et les contraintes dues aux déformations imposées peuvent devenir prépondérantes sans que les tractions soient très fortes par rapport à la résistance du béton. Il en résulte une fissuration qui n’est pas toujours systématique et l’application de l’EN1992-1-1 avec des enrobages et des diamètres d’aciers relativement forts conduit à des valeurs d’ouverture de fissures excessives par rapport à ce qui peut être mesuré sur site ou sur maquette.

Le but du projet est de prendre en compte dans la normalisation et les pratiques d’ingénierie ces phénomènes peu étudiés aujourd’hui.

2.3 Chargements cycliques, notamment l’action sismique.

La réglementation et les pratiques d’ingénierie concernant la maîtrise de la fissuration de murs en béton armé sous ces effets seront analysées.

Les problématiques auxquelles on s’intéresse ici sont de deux types : a) les effets liés au caractère dynamique cyclique de la sollicitation, qui peut se produire sous les effets du vent, d’un séisme, de vibrations de machine… b) le niveau élevé de la sollicitation, comparable à un ELU accidentel, par exemple pour le niveau de séisme de dimensionnement.

Les formules développées par le CEB, puis dans le cadre de l’EUROCODE 2, apportent des solutions satisfaisantes (quoique toujours approximatives…) pour des poutres en flexion ou en traction, mais des études précédentes ont montré qu’elles n’étaient pas vraiment applicables à des voiles. Elles correspondent généralement à des chargements quasi-statiques ou à des déformations imposées et ne traitent par ailleurs que des situations de service.

Cette partie de projet national a pour objet de proposer des procédures simples pour évaluer écartement et ouvertures des fissures dans des situations de sollicitation cyclique, de service ou ultimes.

3. Besoins en connaissance – Recherche et expérimentations nécessaires

3.1 Chargement statique monotone

Quatre besoins se font sentir concernant la fissuration sous charges statiques monotones :  

1. Etablir le domaine de validité des méthodes actuelles exposées dans les divers règlements et leur pertinence.

En plus des domaines de validité, la pertinence des deux formules permettant de calculer l’espacement des fissures en fonction de l’enrobage, de la dimension du tirant équivalent en flexion et du diamètre des armatures, avec comparaison des diverses formules existantes sera étudiée. Il en sera de même pour la limitation de la différence d’allongement acier-béton prévue dans l’Eurocode 2. La prise en compte de la différence d’adhérence entre armatures de précontrainte et de béton armé doit être explicitée.

La problématique de la déformation gênée telle qu’elle apparaît dans la partie 3 de l’Eurocode 2 sera aussi vérifiée et approfondie.  

2. Etudier la fissuration des pièces sortant des limites précédemment établies.  

C'est-à-dire les pièces épaisses : voiles, radiers, semelles, ou des pièces minces ou épaisses très peu ferraillées soumises à des déplacements imposés gênés. Pour les semelles calculées par la méthode des bielles et tirants, les formules d’ouverture de fissures seront soit adaptées soit reformulées. Les pièces autres que rectangulaires seront envisagées.

Les fissurations provenant de l’effort tranchant et de la torsion seront abordées.  

3. Etablir de nouvelles formules pour le ferraillage minimal.  

Cela concerne les armatures minimales des éléments de structures minces ou épais lorsqu’ils sont soumis à des déplacements gênés ou à des variations de contraintes internes, de façon à éviter par exemple que pour des structures épaisses le pourcentage d’armatures soit proportionnel à l’épaisseur.  

4. Estimer l’importance des fissures.  

Enfin il serait souhaitable de définir des ouvertures (liées à l’espacement) et profondeurs de fissures maximales permettant de garantir aux structures une fonction d’étanchéité, ainsi que de corréler ouverture de fissure et possibilité de colmatage de celles-ci.

3.2 Déformations gênées

Cinq besoins se font sentir concernant la fissuration sous déformations imposées :  

􀂉 Pratique simple d’ingénierie permettant de justifier la fissuration sous déformation imposée.  

􀂉 Validation des caractéristiques thermiques du béton.  

􀂉 Etat de contrainte de structures type sous déformations imposées en fonction du type de blocage.  

􀂉 Ferraillage minimal permettant la répartition des fissures sous déformations imposées.  

􀂉 Analyse des courbes d’effort-déplacement (ou moment-courbure) dans le domaine de la formation des fissures.  

Pratique simple d’ingénierie permettant de justifier la fissuration sous déformations imposées

Les déformations imposées peuvent être des déformations d’origine thermique, des déformations dues au retrait ou au fluage ou aux dénivellations d’appuis. Elles posent des problèmes de même type.

La méthode la plus simple pour prendre en compte ces déformations imposées est de les introduire directement, en tant que telles, dans les calculs élastiques de la structure. Si c’est fait avec le module élastique, les efforts internes induits dans la structure peuvent être très importants et entraîner la mise en place de quantités d’armatures élevées, ce qui n’est pas justifié.

Dans la pratique actuelle, la fissuration est prise en compte par une minoration du module d’Young. Cette approche est simple, mais critiquable, car elle ne permet pas de justifier la fissuration, ni en termes de répartition, ni en termes d’ouvertures. C’est pourquoi une approche intégrant un calcul de déformation prenant en compte l’état de fissuration serait plus judicieuse. Une méthode de calcul est donc à mettre au point pour prendre en compte de façon assez simple l’état de fissuration, tout en apportant un progrès significatif par rapport à la pratique actuelle.

Validation des caractéristiques thermiques du béton pour des pièces épaisses

Les propriétés thermiques du béton sont définies dans l’EN1992-1-2 pour traiter la résistance ou la stabilité au feu. Elles dépendent du type d’agrégats. Ces caractéristiques thermiques devraient dépendre aussi de l’état d’humidité du béton. Comment évoluent ces caractéristiques pour des pièces plus humides dans le domaine des températures courantes (0 à 200 °C) ?

Etat de contrainte de structures type sous déformations imposées en fonction du type de blocage

L’EN1992-3 présente en annexe quelques exemples types permettant d’estimer sans calcul l’état de contrainte généré, puis l’ouverture de fissures, dans un voile ou une dalle soumis à des déformations imposées uniformes et bloqués sur un ou plusieurs de leurs côtés.

Une validation de ces résultats est nécessaire.

Des compléments doivent être apportés. Quel est l’effet d’un blocage non infiniment raide (semelle ou radier sur un sol, une levée de bétonnage sur un béton plus ancien, …) ? Quel est l’effet d’un blocage réparti par rapport à un blocage aux extrémités ?

Le cas de déformation non uniforme n’est pas traité (gradient dans l’épaisseur,…) ainsi que les effets de blocage en rotation.

Ferraillage minimal permettant la répartition des fissures sous déformations imposées

Le ferraillage minimal est traité principalement à partir de raisonnement vis-à-vis de sollicitations mécaniques.

Sous l’effet de déformations imposées, après formation de la première fissure, si la déformation imposée augmente, la contrainte dans les aciers n’augmente pas mais l’ouverture de la fissure peut augmenter si d’autres fissures ne se forment pas. Le ferraillage minimum est celui qui permet de limiter l’ouverture de la fissure en créant une fissuration systématique. Ce ferraillage minimal doit aussi garantir une fermeture de la fissure lorsque la sollicitation cesse. Jusqu’où peut-on réduire le ratio d’armature en maîtrisant la fissuration ?  

Analyse des courbes d’effort-déplacement (ou moment-courbure) dans le domaine de la formation des fissures.

Le comportement du béton au voisinage de la fissuration n’est pas très bien connu dans la phase passant de la fissuration non systématique à celui de la fissuration systématique. Or c’est cette partie des courbes effort-déplacement (ou moment courbure) qui est utile pour traiter de la formation et de l’évolution des fissures sous déformation imposée.

3.3 Chargements cycliques

Pratique simple d’ingénierie permettant de justifier la fissuration sous sollicitation cyclique :

L’objectif est de mettre au point des méthodes de calcul destinées à l’ingénierie permettant la prévision de la fissuration en cours de sollicitation et après celles-ci. Des formules de calcul des ouvertures, de l’orientation et de l’espacement des fissures dans les voiles seront ainsi proposées pour les états limites de service et ultime. L’application de la méthode de calcul actuellement présente dans l’EUROCODE 2 ne donne pas de solutions satisfaisantes pour les voiles sollicités dans leur plan et ne traite pas de l’ELU. Les méthodes développées dans le cadre du projet pourraient donc donner lieu à une évolution de la normalisation en la matière.

3.4 Conclusion

Les travaux de R&D et les études de cas en modélisations doivent servir d’une part à expertiser les phénomènes physiques en jeu pour permettre la mise au point de nouvelles méthodes simplifiées d’ingénierie, d’autre part à valider ces nouvelles méthodes par extrapolations vers des applications et configurations pour lesquelles les résultats d’essais sont plus rares.

Avant tout il est donc essentiel de mettre en place un cadre théorique et pratique, définissant des règles de correspondance entre les résultats de simulation, mesures expérimentales, et grandeurs d’ingénierie (ex. module d’élasticité, déformation, contrainte, endommagement / fissure…) pour faciliter leur exploitation dans le but d’atteindre les objectifs de ce projet. Dans ce cadre on intègrera les conséquences de la variabilité de ces paramètres.

4. Liste des tâches

Le travail a été découpé en huit tâches consécutives :

Lot 1 – Bilan, formules et méthodes existantes, rapprochement avec résultats expérimentaux.

Des données seront tirées des expérimentations existantes. Ces résultats seront comparés à ceux données par les diverses formules existantes afin d’établir un point 0 de la recherche.

Lot 2 – Participation et suivi du programme expérimental.

Définition des recherches expérimentales à entreprendre en liaison avec les chantiers de modélisation. Suivi des expériences.

Lot 3 – Définition du programme de modélisation numérique.

Sur la base des données manquantes et des types de structure envisagés, définition du programme d’expérimentation numérique.

Lot 4 – Exploitation des résultats expérimentaux et numériques, établissement des formules nouvelles.

Lot 5 – Confrontation des formules trouvées avec les expérimentations connues.

Les tâches 4 et 5 sont à envisager en étroite liaison : après établissement de formules, il est important de les confronter aux résultats expérimentaux existant avant la recherche ou effectué au cours de celle-ci.

Lot 6 – Rapport de synthèse.

Il s’agit du rapport de synthèse de la recherche.

Lot 7 – Rédaction du guide pratique.

Il s’agit d’un guide pratique à usage des professionnels contenant les recommandations d’utilisation des résultats de la recherche, en termes méthodologique et d’utilisation de formules.

Lot 8 – Réunions publiques de présentation.

Il s’agit de l’ensemble des activités de communication des résultats de la recherche : conférences, actions de formation, etc. 28

5. Méthode de travail et organisation

Des groupes de réflexion par chantier seront formés avec les membres associés du PN qui se sont déclarés intéressés. Ces groupes pourront se rassembler en un groupe unique, qui notamment définira les grandes orientations du projet dans les tâches 2 et 3 et qui ensuite, par des réunions régulières, s’assurera que ces orientations sont bien suivies. Ce sont les responsables des trois activités de la colonne qui assureront le pilotage de ces groupes et qui, pour eux, suivront les autres chantiers de chaque ligne.

Pour mener à bien les tâches 1, 4 et 5, des bureaux d’études seront chargés de faire les travaux de compilation, d’exploitation des résultats et de calibration de formules et méthodes de calcul sous la direction des pilotes, responsables d’activité.  

6. Livrables

Les documents émis par cette colonne sont de divers types :  

􀂉 Lot 1 : La validation de l’existant et ses lacunes et limites seront résumés dans un document qui servira de base aux réflexions des tâches suivantes.  

􀂉 Lot 2 et 3 : Les documents produits à la suite des discussions des groupes de réflexion serviront de cahier des charges aux colonnes 1 et 2.  

􀂉 Lot 4 et 5 : les éléments produits ici sont la documentation complète qui servira lors des tâches suivantes.  

􀂉 Lot 6 : à partir des documents ci-dessus, un rapport de synthèse de la recherche en matière de réglementation et d’ingénierie sera établi.  

􀂉 Lot 7 : il sera complété par un guide pratique à l’attention des ingénieurs de conception et d’exécution, qui rassemblera à la fois les pratiques d’ingénierie et les modifications et compléments réglementaires proposés.

Envoyez un courrier électronique à webmaster@ceosfr.org pour toute question ou remarque concernant ce site Web.

Conception et Design : Nicolas MICHEL - Dernière modification : 05 March 2010