L’influence de l’effet d’échelle sur la résistance en cisaillement 

Renforcement en cisaillement à l’aide de MCA

   Au cours de la dernière décennie, par le biais de recherches intensives de développement, les feuilles en Matériaux Composites Avancés (MCA) collées en surface ont apporté des solutions nouvelles et innovatrices au renforcement et à la réhabilitation des structures. Les propriétés avantageuses des feuilles du MCA, comme la faible densité, la maniabilité, la résistance à la corrosion, la neutralité électromagnétique et la facilité d’installation sans équipements lourds et sans interruption de l’exploitation, ont rendu la réhabilitation à l’aide de ces feuilles, nettement plus attrayante et plus avantageuse en comparaison avec d’autres méthodes conventionnelles. Toutefois l’utilisation du MCA pour le renforcement d’ouvrages déficients n’a pas connu 1′ essor et le succès escomptés. Cette situation est principalement due au manque de données sur certains aspects du comportement de ce nouveau mode de renforcement. Les recherches récentes ont très bien documenté le comportement des poutres en béton armé, renforcées à l’aide de feuilles en MCA collées en surface. Mais, il s’agit dans la grande majorité des cas de renforcement en flexion. En revanche, les travaux consacrés au renforcement en cisaillement restent peu nombreux et leurs conclusions sont souvent controversées. Les poutres en BA, particulièrement les poutres de pont et de stationnements étagés, souffrent aujourd’hui de problèmes d’insuffisances structurales, particulièrement en ce qui a trait à la résistance au cisaillement. Ceci est dû à 1′ évolution des conditions d’exploitation à la suite de la modification, d’une part des charges réglementaires et, d’autre part, des fréquences de passage de véhicules lourds. Une mise à niveau de la performance de ces éléments structuraux importants revêt désormais un caractère sécuritaire urgent. De plus, il est bien connu que tout renforcement en flexion est subordonné à la capacité en cisaillement. Ainsi, à défaut d’une résistance suffisante en cisaillement, la structure renforcée risque de ne jamais atteindre la capacité ciblée en flexion.

Taux de renfort avec des feuilles en CFRP

  La présente étude sur l’effet d’échelle considère trois taux de renfort en CFRP :
1. Le premier taux de renforcement, identifié par (OC), correspond aux poutres sans renforcement en CFRP;
2. Le second taux de renforcement, identifié par (1C), correspond, dans la première phase, aux poutres renforcées à l’aide d’une seule couche, d’épaisseur t = 0.1219 mm. Dans la deuxième phase, les poutres identifiées par (1C), ont été renforcées par un nombre de couches assurant le même taux de renfort en CFRP que celui d’une couche de la première phase. La configuration géométrique de ce renforcement est en forme de « U », appliqué de façon continue sur toute la longueur de cisaillement, tel que montré à la photographie de la figure 3-1;
3. Enfin, le troisième taux de renforcement en MCA, identifié par (2C), correspond aux poutres renforcées à 1′ aide de deux couches de CFRP dans la première phase. Dans la deuxième phase, les poutres identifiées par (2C), ont été renforcées par un nombre de couches assurant le même taux de renfort en CFRP que celui de deux couches de la première phase.

Design des poutres de la première phase

  Les poutres de la première phase ont été conçues pour répondre à des exigences dictées par l’ensemble des essais nécessaires pour réaliser le programme d’étude global sur le cisaillement des poutres renforcées en MCA. Ces poutres d’une longueur de 4515 mm et d’une hauteur de 406 mm, ont été armées longitudinalement avec 4-25M réparties sur deux lits espacés de 25 mm, soit un pourcentage d’acier longitudinal de 3,76 %et une hauteur utile « d » de 350 mm. Leur renforcement en cisaillement a été réalisé à l’aide d’étriers internes de 08 et à l’aide d’un tissu en fibre de carbone en forme de « U » collé extérieurement sur les parois à l’aide d’époxyde et ce sur toute la longueur de cisaillement.

Design des poutres réduites de la deuxième phase

  La conception des poutres de taille réduite, mises à 1′ essai dans la deuxième phase, a été élaborée de sorte à bien ressortir l’effet d’échelle. Les paramètres impliqués dans la conception de ces poutres sont les suivants :
a. Largeur de l’âme des poutres« bwn »;
b. Hauteur des poutres« hn »;
c. Armature transversale des poutres;
d. Renforcement en CFRP;
e. Armature longitudinale des poutres;
f. Longueur des poutres.

L’influence de l’effet d’échelle sur la résistance en cisaillement

  L’analyse des tableaux VII et VIII nous permet d’observer, aussi bien pour les poutres régulières de la première phase que pour les petites poutres de la deuxième phase, que :
• L’ajout de la deuxième couche du CFRP (ou de son équivalent dans les poutres réduites) n’a pas eu pour effet d’augmenter, d’une manière significative la résistance des poutres en cisaillement.
• Le gain en résistance en cisaillement dû à l’ajout du CFRP est beaucoup plus important dans les poutres sans armatures transversales  que dans les poutres contenant des étriers (séries 2 et 4). Ce gain devient particulièrement insignifiant dans les poutres élancées contenant des étriers . Sur la base des résultats obtenus, on observe l’absence d’un effet d’échelle significatif dans les poutres contenant des étriers, qu’elles soient profondes ou élancées . À l’opposé, dans les poutres sans armatures transversales  , l’effet d’échelle semble être présent, mais dans deux sens opposés comme suit:
A. Dans les poutres profondes (première série), les poutres de taille régulière renforcées à 1′ aide de CFRP ont montré une meilleure performance que les poutres de taille réduite correspondantes. Ainsi, à l’ajout de l’équivalent d’une couche de CFRP le gain en résistance obtenu grâce à ce rajout est de 60.3% dans les poutres de taille régulière et de 10.5 % dans les poutres de taille réduite. À l’ajout de l’équivalent de deux couches de CFRP, le gain en résistance obtenu grâce à ce rajout est de 62.2 % dans les poutres de taille régulière et de 9.4 % dans les poutres de taille réduite. Ceci pourrait indiquer que les résistances des poutres explicites calculées à partir des modèles mathématiques et des formules de design élaborées sur la base des essais en laboratoire sur des poutres de taille réduite seraient conservatrices puisque ces modèles sous-estiment le gain dû au renfort en CFRP.
B. Dans les poutres élancées (troisième série), les poutres de taille réduite renforcées à 1′ aide de CFRP ont montré une meilleure performance que les poutres de taille régulière correspondantes. Ainsi, à l’ajout de l’équivalent d’une couche de CFRP le gain en résistance obtenu grâce à ce rajout est de 64.6% dans  les poutres de taille réduite et de 47.8 % dans les poutres de taille régulière. À l’ajout de l’équivalent de deux couches de CFRP le gain en résistance obtenu grâce à ce rajout est de 90.0 % dans les poutres de taille réduite et de 49.9 % dans les poutres de taille régulière. Ceci pourrait indiquer que les résistances des poutres explicites calculées à partir des modèles mathématiques et des formules de design élaborées sur la base des essais en laboratoire sur des poutres de taille réduite seraient surestimées et seraient par conséquent non sécuritaires.

Analyse de la performance en terme de raideur

  L’examen des pentes des tangentes des courbes des figures 5-1 à 5-4 (effort tranchant « V » en fonction de la flèche à mi-portée), permet de comparer les performances des poutres en terme de raideur pour chacune des quatre séries. La raideur est définie ici comme la pente de la tangente à la courbe effort tranchant versus flèche à mi-portée. Pour comparer, en chiffres, la raideur au début du chargement des différentes poutres, on présente dans un tableau, pour chacune des séries, les valeurs des pentes des tangentes des courbes correspondant à une flèche à mi-portée de 0.5 mm pour les deux phases et pour les différents taux de renfort en CFRP. La valeur de 0.5mm pour la flèche est retenue puisque les courbes deviennent stables à partir de ce seuil.

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Table des matières

ABSTRACT
REMERCIEMENTS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS ET SIGLES
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 DESCRIPTION DU PROJET DE RECHERCHE 
1.1 Objectifs du projet de recherche 
1.2 Méthodologie 
1.3 Présentation du mémoire 
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
2.1 L’effet d’échelle 
2.2 Travaux pertinents 
2.3 Synthèse et conclusion 
CHAPITRE 3 CONCEPTION DES SPÉCIMENS 
3.1 Introduction 
3.2 Définition des paramètres de l’étude 
3.2.1 Longueur de cisaillement
3.2.2 Taux de renfort avec l’armature transversale
3.2.3 Taux de renfort avec des feuilles en CFRP
3.3 Définition des séries d’essais 
3.4 Géométrie des poutres 
3.4.1 Design des poutres de la première phase
3.4.2 Design des poutres réduites de la deuxième phase
3.5 Comparaison entre les poutres des deux phases 
CHAPITRE 4 PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE 
4.1 Description des matériaux utilisés  
4.2 Instrumentation 
4.2.1 Déplacements
4.2.2 Déformation dans l’acier
4.2.3 Déformation dans le béton
4.2.4 Déformation dans le composite
4.3 Pose du CFRP 
4 4 . Mise à l’essai et acquition des données
CHAPITRE 5 PRÉSENTATION ET ANALYSE DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX 
5.1 Analyse de la performance en terme de résistance en cisaillement  
5.1.1 Résistance en cisaillement de la Première série (PP-SO)
5.1.2 Résistance en cisaillement de la Deuxième série (PP-S1)
5.1.3 Résistance en cisaillement de la Troisième série (PÉ-SO)
5 .1.4 Résistance en cisaillement de la Quatrième série (PÉ-S 1 )
5.2 L’influence de l’effet d’échelle sur la résistance en cisaillement 
5.3 Analyse de la performance en terme de raideur 
5.3.1 Raideur de la Première série (PP-S0)
5.3.2 Raideur de la Deuxième série (PP-S1)
5.3.3 Raideur de la Troisième série (PÉ-S0)
5.3.4 Raideur de la Quatrième série (PÉ-S1)
5.4 L’influence de l’effet d’échelle sur la raideur 
5.5 Analyse des flèches 
5.5.1 Flèches de la Première série (PP-SO)
5.5.2 Flèches de la Deuxième série (PP-S1)
5.5.3 Flèches de la Troisième série (PÉ-SO)
5.5.4 Flèches de la Quatrième série (PÉ-S1)
5.6 L’influence de l’effet d’échelle sur les flèches 
5. 7 Analyse du mode de rupture 
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
BIBLIOGRAPHIE

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