Axe 2 - Expérimentation

Coordinateur DEMILECAMPS Louis – VINCI Construction : Ldemilecamps@gtm-construction.com - 01 41 91 45 59

1. Introduction

Il est nécessaire de valider les nouvelles méthodes d’ingénierie et de modélisation numérique en les confrontant à des résultats d’essais représentatifs du comportement des ouvrages spéciaux. Par ailleurs, ce type d’essai, dont les conditions sont mieux contrôlées ou connues que celles des ouvrages réels, permet de mieux appréhender l’influence des principaux paramètres (armatures, béton, etc.) sur le nombre, l’ouverture et la profondeur des fissures, ainsi que leur évolution dans le temps.

Les données nécessaires à la validation des modèles numériques et à la définition de domaine d’utilisation des formules d’ingénierie seront recherchées parmi :  

·         les données disponibles provenant d’expérimentations antérieures et mises en commun par les partenaires du projet,  

·         les expérimentations réalisées dans le cadre du projet  

·         des mesures sur ouvrages existants.  

2. Données déjà disponibles

Les informations sur les résultats d’essais déjà disponibles font l’objet de l’annexe 2. Elles concernent des structures soumises à des chargements statiques et thermiques, des structures conçues pour étudier le comportement au jeune âge ainsi que des voiles soumis à des chargements cycliques.

Concernant les essais en laboratoire ou sur chantier, plusieurs séries d’essais ont été effectuées pour le problème de l’ouverture des fissures du béton armé parmi lesquelles on peut citer :  

·         Les essais sur des poutres en flexion du LERGEC-IUT de Strasbourg et leur interprétation effectuée par le LERMES (béton ordinaire), avec le financement d’EDF.  

·         Les essais de l’EPFL (Mivelaz) sur des tirants en béton armé (B courant et BHP).  

·         Les essais de la maquette MAEVA (BHP), durant lesquels une fissuration au bétonnage, des fissurations sous gradient thermique et des fissurations sous pression ont pu être observées.  

·         Les essais de comportement d’une paroi mince soumise à un gradient thermique (Béton courant et BHP EDF - LCPC).  

·         La réalisation de voiles d’épaisseur 1,20 m avec deux types de béton pour étudier la fissuration au jeune âge (Galeries sur site EDF).  

·         Comportement thermohydrique d’un cylindre BHP (Maquette MAQBETH, CEA).  

·         Poutres en cycle hydrique, thèse de S. Multon, LCPC.  

·         Fondation des piles du pont de Millau (Eiffage, SITES).  

Un premier examen de ces différents cas sera effectué pour s'assurer que toutes les données nécessaires à une analyse dans le cadre de CEOS.fr sont ou non disponibles.  

·         Les essais de cisaillement de voile SAFE (EDF, ISPRA, AREVA).  

Tout où partie de ces essais sera exploitée par les ingénieurs et les chercheurs impliqués dans le projet pour évaluer les capacités prédictives des méthodes actuellement proposées pour traiter de la fissuration. On appliquera soit des formules à caractère plus ou moins réglementaire ou des modèles numériques de complexité croissante. Cette première tâche fournira une référence initiale des performances des outils actuels et permettra de mesurer les progrès accomplis à la fin du Projet.

3. Essais propres au projet CEOS.fr

3.1. Principes directeurs du programme d'expérimentation spécifique

Ainsi que cela a été mentionné au chapitre "Présentation générale", paragraphe 4 "Philosophie générale de la recherche", l'objectif prioritaire du programme d'expérimentation n'est pas de fournir de nouvelles observations relatives aux mécanismes de fissuration, mais des jeux de données complets, précis et fiables pour permettre de "caler" et valider des modèles numériques scientifiques en vue d'accéder à la possibilité d'élargir l'acquisition des données grâce à l'expérimentation virtuelle. Le programme expérimental physique comprend donc deux stades :  

·         Une série d'expérimentations et d'essais à petite échelle, portant essentiellement sur l'acquisition de données relatives aux matériaux, directement destinée à l'amélioration des modèles utilisés. Ces essais sont définis et pilotés par les équipes de modélisation pour leurs besoins propres ;  

·         Une série d'expérimentations et d'essais conduits sur des corps d'épreuve de grandes dimensions, de façon à minimiser l'incidence des effets des différentes échelles. Dans ce second programme, la définition des corps d'épreuve et programmes de sollicitation a été faite de façon à ce que la géométrie et les conditions de chargement n'introduisent pas par eux-mêmes de complexité au niveau de la modélisation. De même, les phénomènes attendus et les observations à réaliser sont supposés ne pas apporter par eux-mêmes de difficulté d'interprétation. Ainsi les modélisateurs pourront-ils se concentrer sur la partie scientifique de leur modélisation.  

En revanche, une attention exceptionnelle sera portée à l'acquisition de toutes les données pertinentes nécessaires à la modélisation d'une part, à l'interprétation des résultats de celle-ci d'autre part. Ainsi, un maximum d'informations relatives aux corps d'épreuve seront-elles rassemblées dès le départ : géométrie des différents éléments ; caractéristiques mécaniques, physiques et rhéologiques des différents matériaux ; conditions de fabrication et de maturation des corps d'épreuve jusqu'à leur utilisation.

Relativement peu nombreux du fait de leur taille et des difficultés de chargement mécanique, ces corps d'épreuve devront être instrumentés pour pouvoir apporter des données pour chacun des thèmes techniques retenus dans le cadre du projet CEOS.fr. Il est donc prévu de les instrumenter en ayant recours à des technologies de mesure redondantes : mesures de déformations locales sur bases courtes et bases longues, mesures de déformation d'ensemble par corrélation d'images, suivi des mécanismes internes de fissuration par détection des émissions acoustiques. Il est prévu de disposer ainsi de toutes les données identifiées a priori comme étant nécessaires à l'analyse des modélisations, mais aussi de données "de réserve" pouvant permettre une révision des modèles. Le programme définitif d'expérimentation sera finalisé avec les équipes de modélisation et l'expérimentation elle-même conduite en co-pilotage permanent avec celles-ci.

 3.2 Définition des corps d'épreuve  

·         Essais d’identification sur éprouvettes : s’ils sont liés directement aux données d’entrée des modèles, ils seront définis par les équipes impliquées dans les calculs d’ingénierie et la modélisation numérique. Par exemple, l’identification des caractéristiques thermiques du béton sera établie à partir d’essais de matériaux (mesures sur éprouvettes pour différents taux d’humidité). Les laboratoires impliqués dans la réalisation des maquettes à échelle réduite participeront à ces essais,  

·         Essais destinés aux thèmes 1 – Chargement statique monotone et 2 – Gradient THM, dans une moindre mesure au thème 3 – Chargement cyclique.  

Une série de corps d'épreuve de géométrie simple (parallélépipèdes 5 m x 2 m x 1 m environ), armés également de façon simple et facilement modélisables, seront réalisés selon un programme permettant de tester de façon plus ou moins découplée le comportement de ces pièces vis-à-vis de différents paramètres.

Ces corps d'épreuve seront soumis à leur évolution naturelle ou assistée pour leur comportement THM, et à des programmes de chargements mécaniques (a priori par flexion simple, mais aussi potentiellement mis en condition de retrait gêné ou de chargement thermique externe). Aucune dalle d'essai des laboratoires partenaires n'étant en mesure de permettre le chargement de corps d'épreuve de cette dimension, la réalisation d'une dalle spécifique sur le site d'un des partenaires industriels a été prévue. Les équipes de suivi et de mesure se déplaceront sur ce site.

Les données expérimentales recueillies seront confrontées à celles qui seront issues des expérimentations numériques menées en parallèle.

A titre indicatif, dix corps d'épreuve (blocs) sont envisagés :  

− Bloc de référence : béton de référence, ferraillage de référence (pourcentage et diamètre), 

− Béton de référence, ferraillage pourcentage réduit, diamètre identique,  

− Béton de référence, ferraillage pourcentage identique, diamètre réduit,  

− Béton de référence, changement disposition de ferraillage,  

− Ferraillage de référence, béton différent (/résistance en traction),  

− Béton de référence, ferraillage de référence, reprise de bétonnage,  

− Béton et ferraillage de référence, reprise de bétonnage, modification des aciers de couture,

− Trois blocs permettant d'évaluer au choix l'incidence :  

o de la variabilité d'un bloc à l'autre,  

o d'une précontrainte longitudinale,  

o d'un chargement mécanique différent,  

o d'un chargement cyclique,  

o d'un chargement thermique sur une face,  

o de conditions aux limites imposant un retrait gêné,  

o d'un défaut local contrôlé.  

Parallèlement à ce programme d'essais sur corps d'épreuve de grande taille, sera conduit un programme d'essais destiné à évaluer l'incidence de l'effet d'échelle sur les observations réalisées sur des corps d'épreuve à échelle réduite. La référence sera le bloc de référence défini ci-dessus et l'échelle retenue pour les dimensions extérieures sera celle du tiers.

Sur cette base, des corps d'épreuve seront réalisés en respectant différentes règles de similitude : taille des granulats, section des aciers, diamètre des aciers, capacité résistante. Ces blocs seront testés en laboratoire.

Nota : étant donné la taille des blocs, l'effet de la dessiccation devrait être très faible sur la durée du projet. Une réflexion sera menée en cours de projet sur l'opportunité de mettre en place un dispositif parallèle permettant de réaliser des mesures sur une période plus longue.  

·         Essais destinés au thème 3 – Chargement cyclique et, dans une moindre mesure, aux thèmes 1 et 2.  

Développement d’un dispositif permettant de solliciter un voile de béton armé construit à l’échelle 1/3, étudié sous l’action de sollicitations alternées croissantes appliquées dans son plan jusqu’à la stabilisation du réseau de fissuration. Ce type d’essai, compte tenu des efforts considérables qu’il engendre, nécessite des moyens importants.

Afin de permettre une avancée significative par des résultats utilisables dans les projets, il est là aussi proposé une recherche alliant expérimentation sur corps d’épreuve et expérimentation numérique.

En effet, l’expérimentation sur maquette se heurte à un certain nombre de difficultés : les expérimentations précédentes ont montré qu’il est difficile de descendre en dessous d’une échelle 1/3 si on veut avoir un micro béton représentatif et surtout des armatures existant dans le commerce, si possible avec une ductilité suffisante. De tels corps d’épreuve, armés à l’échelle, ont une résistance importante pour les sollicitations dans leur plan, de l’ordre de plusieurs MN à l’effort tranchant, ce qui pose des problèmes de vérinage et d’ancrage. Peu d’installations en France et même en Europe sont en mesure de mettre en œuvre de tels moyens. Il est donc peu envisageable d’essayer un nombre de corps d’épreuve suffisant pour obtenir une formulation fiable permettant de couvrir un domaine de caractéristiques de murs suffisamment large.

D’où l’idée proposée ici de coupler expérimentation numérique et expérimentation sur maquettes afin de permettre, par le calcul, de couvrir un champ suffisamment large.

Une autre difficulté de l’expérimentation physique réside dans la mesure elle-même, qui se rapporte à l’espacement et à l’ouverture des fissures ; les fissures n’étant pas localisées a priori, la pose d’extensomètres en petit nombre n’est pas envisageable. Il est donc nécessaire de mettre au point une méthode permettant cette mesure de façon sûre. Une méthode par triangulation d’extensomètres est prévue et sera complétée par des méthodes optiques par corrélation d'images.

3.3 Essais sur ouvrages de référence

En fonction des opportunités, des ouvrages existants ou en construction pourront être utilisés pour des expérimentations.

3.4 Instrumentation envisagée

Pour de tels essais, l’instrumentation revêt un caractère primordial puisqu’on recherche la localisation, l’ouverture et la profondeur des fissures.

L'instrumentation, dans le cadre d'un tel projet, ne vise pas la mise au point de nouvelles approches technologiques dans le domaine des capteurs mais sera orientée vers la mise en oeuvre de technologies éprouvées devant servir exhaustivement les besoins. La quantification exhaustive des facteurs d'influence et la recherche de haute précision dans les mesures métrologiques sur ouvrages et maquettes seront prises en compte et validées en amont des expérimentations par les simulations. De même, la topologie de l'implantation des capteurs sera étudiée pour appréhender au mieux les caractéristiques géométriques et le lieu d'apparition des fissures dans un référentiel tridimensionnel. Pour cela, on prévoit à minima de mesurer des contraintes locales, des déformations sur des bases de longueur adaptée à l'échelle des maquettes, de nombreuses températures, de l'hygrométrie, et ce en surface et à cœur des structures. Pour les instrumentations "à cœur", l'instrumentation sera conçue pour appréhender le comportement au jeune âge et l'initialisation des mesures de déformation, et devra traiter séparément les armatures du matériau béton. Les capteurs devront avoir une intrusivité limitée et/ou être intégrés dans la modélisation. Des relevés visuels objectifs d'apparition des fissures seront également menés, aidés par la mise en œuvre de techniques micro ou macroscopiques, de ressuage ou de thermographie, ainsi que d'analyse d'images. 

-          En outre, seront relevés plusieurs paramètres exogènes des sites d'expérimentation :

·         mesure en continu de la température ambiante en deux points, de l'hygrométrie,

·         pour les ouvrages en extérieur, mesure de l'ensoleillement et de la pluviométrie.

-          Pour le suivi au jeune âge :

·         au moins un couple de capteurs rigides pour suivi au jeune âge,

·         un système d'acquisition automatique à une cadence d'enregistrement appropriée en fonction du temps.

 4. Livrables

Rapports détaillés des résultats des expérimentations et interprétations de ceux-ci

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