Systèmes d’ancrages chimiques : Scellements chimiques et goujons collés

Systèmes d’ancrages chimiques : Scellements chimiques et goujons collés

Description des ancrages chimiques

L’ancrage chimique est une technique d’assemblage qui consiste à ancrer une tige filetée dans un matériau plein (bois, béton, parpaing plein, pierre) ou creux (brique, parpaing creux) en injectant une résine structurale. Dans ce travail de recherche on s’intéresse particulièrement à l’étude des systèmes d’ancrage chimique dans le béton et dans le bois. On désignera dans la suite de ce manuscrit par « scellements chimiques », les ancrages chimiques réalisés dans le béton, et par « goujons collés» les systèmes d’ancrages chimiques réalisés dans les ouvrages bois.

Scellements chimiques 

L’assemblage par la technique des scellements chimiques est réalisé par le collage d’une armature en acier dans un élément en béton durci d’un côté, et par le coulage du béton frais sur le ferraillage de l’autre côté. L’utilisation de cette technique dans la construction des ouvrages en béton armé a débuté dans les années 60 (Shaw, 1985). Depuis cette date, l’emploi de cette technique dans la construction en béton est en plein essor grâce à ses performances mécaniques, sa facilité de mise en œuvre et aux solutions techniques qu’elle apporte pour répondre aux exigences architecturales.

Méthode de mise en œuvre des scellements chimiques : La mise en place des scellements chimiques dans les structures en béton est très simple et ne demande pas de matériel sophistiqué. Elle s’effectue en seulement 4 étapes :
◆ Perçage d’un trou dans la structure existante en béton à la profondeur désirée avec un diamètre supérieur de 2 à 5 mm à celui de l’armature, défini selon les recommandations du fabriquant de la résine. L’espacement entre l’armature et la surface du béton sera par la suite comblé par la résine.
◆ Nettoyage du trou avec une série de brossage et soufflage par de l’air comprimé. Cette étape est importante dans la définition des performances mécaniques des scellements chimiques (Meszaros & Eligehausen, 1998).
◆ Injection de la résine en quantité suffisante à partir du fond du trou à l’aide d’un pistolet d’injection équipé d’une buse permettant à la fois de mélanger le durcisseur et la résine mère, et d’atteindre le fond du trou.
◆ Insertion de l’armature lentement dans le trou avec un mouvement de pivotement afin d’éviter la génération des bulles d’air dans le joint de colle.

D’une manière générale, les résines de scellement commercialisées nécessitent moins de 24h pour polymériser et atteindre les performances mécaniques requises pour la connexion, ce qui permet d’accélérer la mise en place du ferraillage et le coulage du nouvel élément en béton.

Champs d’application des scellements chimiques : La technique des scellements chimiques présente aujourd’hui un champ d’application très étendu. En effet, cette technique a été initialement employée dans la rénovation, l’extension et le renforcement des structures en béton armé grâce à la possibilité qu’elle offre pour raccorder de nouveaux éléments aux structures existantes (Sato, et al., 2004). Récemment, cette technique d’assemblage est également utilisée dans les nouvelles constructions d’ouvrages d’art tels que les ponts et les tunnels, ou encore pour raccorder les planchers des parkings souterrains.

Selon le Document d’Evaluation Européenne (DEE) 330087-00-0601 de l’European Organisation for Technical Approvals(EOTA EAD 330087-00-0601, 2015), la technique des scellements chimiques peut être utilisée dans des configurations horizontales ou verticales pour connecter des dalles, des poutres, des murs et des éléments sollicités en compression .

Parmi ces diverses applications des scellements chimiques, on distingue deux types de connexions les plus fréquemment utilisées (Pinoteau, 2013):
◆ Slab/Slab connections : Configuration horizontale permettant le raccord de deux dalles ou éléments en béton pour constituer un plancher.
◆ Slab/wall connections : Configuration verticale permettant de raccorder un élément vertical à un élément horizontal.

En plus des multiples solutions qu’offrent les scellements chimiques pour raccorder et étendre des éléments en béton, cette technique permet d’accélérer l’achèvement de la construction grâce à la prise rapide des résines structurales utilisées dans la réalisation de la connexion par rapport à celle des mortiers et des pâtes de ciment. En outre, les scellements chimiques se distinguent par leur comportement mécanique équivalent ou parfois supérieur, à température ambiante, à celui des systèmes d’ancrages mécaniques classiques (Bouazaoui & Li, 2008), en plus de leur capacité élevée à absorber les vibrations et donc à leur bon comportement sismique.

Réglementation des scellements chimiques

L’évaluation des systèmes de connexion par scellements chimiques est régie en Europe par la partie 5 de l’European Approval Technical Guide (ETAG 001-Part 5, 2002). Ce document regroupe les méthodes et les conditions à appliquer pour évaluer expérimentalement les performances des connexions par scellements chimiques. En plus de l’ETAG, l’EOTA propose dans son EDD 330087-00-0601 (EOTA EAD 330087-00-0601, 2015) des méthodes expérimentales permettant d’évaluer l’influence de l’humidité, du chargement constant pendant une longue durée à 50°C et 80°C, du gel et des types du béton sur les performances mécaniques des scellements chimiques. Cependant, ce document ne suggère aucune méthode pour évaluer la résistance au feu et le comportement en fatigue des scellements chimiques.

A noter qu’actuellement, il n’existe toujours pas de codes de construction, que ce soit aux Etats-Unis ou en Europe, propres au dimensionnement des scellements chimiques. Cependant, l’absence d’une codification spécifique est comblée par des guides de construction permettant d’évaluer et de dimensionner les scellements chimiques à température ambiante. Ces guides proposent un ensemble de règles à prendre en considération lors de l’installation des scellements chimiques afin de garantir une efficacité optimale de transfert d’efforts entre les éléments raccordés et de sécuriser l’assemblage au cours de sa durée de vie. Le EDD 330087-00-0601 (EOTA EAD 330087-00-0601, 2015) et son homologue américain ACI 318 (ACI 318 11, 2011) évaluent les performances mécaniques des scellements chimiques par rapport à leurs résistances en adhérence, égales à la valeur maximale de la  contrainte de cisaillement moyenne atteinte dans le joint de colle lors des essais d’arrachement. Le dimensionnement des scellements chimiques dans les structures en béton se fait alors en se basant sur des correspondances entre les valeurs seuils des résistances en adhérence des scellements chimiques déterminées expérimentalement, et les valeurs des résistances en adhérences relatives aux ancrages mécaniques classiques fournies par l’Eurocode 2 .

Goujons collés

L’assemblage par goujons collés est une technique considérée comme nouvelle et performante dans la construction bois (Stepinac, et al., 2013). Cette technique, parue il y a une trentaine d’années, est qualifiée de polyvalente car elle permet de raccorder des éléments en bois entre eux, ou bien avec d’autres éléments en acier ou en béton. La technique des goujons collés est en réalité inspirée de la technique des scellements chimiques, où l’assemblage s’effectue à travers le collage d’une tige filetée dans le bois à l’aide d’une résine structurale.

Les goujons collés ont initialement été utilisés dans la rénovation et le renforcement des structures à haute valeur historique grâce à leur aspect esthétique (Lartigau, 2014). En effet, cette technique permet de réaliser des assemblages cachés à l’intérieur des éléments en bois et donc complétement invisibles.

Avec le développement des résines structurales, les goujons collés sont aujourd’hui également utilisés dans la construction des nouveaux ouvrages en bois grâce à leur capacité élevée à transférer les efforts, leur comportement approprié en situation d’incendie et grâce à leur facilité de mise en œuvre. Les goujons collés sont souvent employés dans la construction neuve pour assembler les planchers à grande portée fabriqués en lamellé-collé et aussi pour la fixation des colonnes au sol (Gustafsson & Serrano, 2000).

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Table des matières

Introduction générale
Partie 1 Etude bibliographique
Chapitre 1 Systèmes d’ancrages chimiques : Scellements chimiques et goujons collés
1.1. Description des ancrages chimiques
1.1.1. Scellements chimiques
1.1.2. Goujons collés
Chapitre 2 Comportement à haute température des matériaux de l’étude
2.1. Béton
2.1.1. Informations générales sur le béton
2.1.2. Transformations physicochimiques sous l’effet de la température
2.1.3. Dilatation thermique du béton
2.1.4. Effet de la température sur les propriétés mécaniques du béton
2.1.5. Ecaillage du béton
2.2. Bois
2.2.1. Anatomie du bois
2.2.2. Orientations du bois
2.2.3. Dégradation thermo-physique du bois : La combustion
2.3. Acier
2.3.1. Types d’acier
2.3.2. Comportement mécanique à température ambiante
2.3.3. Comportement mécanique à haute température
2.4. Résine
2.4.1. Généralités sur les résines structurales
2.4.2. Les résines époxydes
2.4.3. Postcure de la résine
2.4.4. Transition vitreuse
2.4.5. Effet de la température sur le comportement mécanique des résines époxydes
2.4.6. Fluage de la résine
Partie 2 Investigation expérimentale de la tenue au feu des scellements chimiques dans le béton et des goujons collés dans le bois
Introduction de la deuxième partie
Chapitre 3 Influence de la température sur le comportement mécanique des scellements chimiques
dans le béton et identification des facteurs responsables de la dégradation de leur résistance au feu
3.1. Introduction
3.2. Materials and experimental procedure
3.2.1. Specimen
3.2.2. Temperature effects on physical and chemical properties of the resin
3.2.2.1. Thermo-Gravimetric analysis (TGA)
3.2.2.2. Differential Scanning Calorimetric test (DSC)
3.2.3. pull-out test procedures
3.2.4. Heating device
3.2.5. Acquisition and control
3.2.6. Shear stress
3.3. Results and discussion
3.3.1. Temperature effects on bond resistance
3.3.1.1. Pull-out tests at stabilized temperature
3.3.1.2. Pull-out tests at constant load
3.3.1.3. Results comparison between the two test procedures
3.3.2. Temperature effects on the anchor stiffness
3.3.3. Temperature influence on failure modes
3.3.4. Incompatibility of anchor displacements in the current design method
3.4. Conclusion
Chapitre 4 Influence de la température et de l’orientation du fil sur le comportement mécanique
des goujons collés dans le bois
4.1. Introduction
4.2. Materials and methods
4.2.1. Materials
4.2.1.1. Timber and steel rods
4.2.1.2. Epoxy adhesive
a) DSC characterizations
b) DMA characterization
c) Quasi-static tensile tests at elevated temperature
4.2.2. Geometry and fabrication of GiR specimens
4.2.3. Experimental setup and instrumentation for GiR characterization
4.2.4. Pull-out tests at high temperature
4.3. Results and discussion
4.3.1. Mechanical behavior of GiRs at room temperature
4.3.2. Mechanical behavior at high temperature of GiRs set parallel to the wood grain
4.3.2.1. Pull-out tests at stabilized temperature
4.3.2.2. Pull-out tests at constant load
4.3.2.3. Comparison between the two test procedures
4.3.3. Mechanical behavior at high temperature of GiRs set perpendicular to the wood grain
4.3.4. Influence of temperature on GiRs failure mode (in configuration parallel to the grain)
4.4. Conclusion
Chapitre 5 Etude du comportement au feu des ancrages chimiques à l’échelle de la structure et
validation de la méthode de dimensionnement
5.1. Introduction
5.2. Fire design method description
5.3. Test Specimen set-up and design method application
5.3.1. Test specimen conception
5.3.2. Design method application
Conclusion générale

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