Adhérence acier béton Ancrage et recouvrement des armatures
E.C. 2 8.4 Ancrage des armatures longitudinales •Contrainte ultime d'adhérence •Longueur d'ancrage de référence •Longueur d'ancrage de calcul 8.5 Ancrage des armatures d'effort tranchant et autres armatures transversales 8.7 Recouvrements et coupleurs 8.8 Règles supplémentaires supplémentaires pour les barres de gros diamètre 8.9 Paquets de barres
ΕΝ 1992−1−1 (EC2)
SECTION 8
Cours Adhérence acier béton Ancrage des armatures longitudinales Ancrage des armatures d'effort tranchant Règles supplémentaires pour les barres de gros diamètre Paquets de barres
Acier et Béton Matériaux acier et béton
L.C. acier et L.C. béton connu.
Acier
a éAdhérence B
Béton
Traction
1
Béa Adhérence acier-béton
2
Essais
Science
EC2 F
Le Béa étant une structure composite - béton et acier il est nécessaire de connaître le comportement de l’interface l’interface entre entre les deux matériaux. (adhérence de l’armature d’acier dans sa gaine de béton)
articulations B i e ll l l e s a r t ic ic u l é e s
Modélisation
Les objectifs de cette séance sont : - de connaître les différents paramètres qui influencent le comportement comportement de l’interface (f (f ck , HA, rond lisse, ?) - de justifier une des hypothèses importantes du fonctionnement du Béa. Il n’y a pas de glissement des barres d’acier dans leur gaine de béton εbéton εacier
« Si Simp mpli lifi fica cati tion ons s » : EC2
=
-
de savoir calculer les ancrages et recouvrement des armatures selon l’EC2 l’EC2 3
4
Acier + Béton Un problème d’échelle !
Origine de l’adhérence •
•
•
Micro
Macro
Structure
La charge est habituellement transmise par le béton vers l’acier. Le transfert des efforts entre l’acier et le béton se fait selon trois mécanism mécanismes es associés associés à trois trois types de liens liens : – Chimique – De frottement – De butée L’importance relative des ces liens dépend surtout du type d’élément armé (poutre élancée, poutre poutre profonde, console, colonne,...) et de la nature des barres d’armature (lisses ou crénelées). La capacité capacité de l’ancrage peut également également être influencée par différents paramètres comme l’épaisseur de recouvrement, la surface de l’armature, le fluage du béton, la température, température, la corrosion, etc… Pour de faibles efforts, efforts, le mécanisme de transfert dépend de l’adhésion chimique. chimique. En pratique, le lien chimique peut être brisé par l’action des charges de service ou simplement par le retrait du béton. Le transfert des efforts est alors alors assuré assuré par le frottement entre entre l’acier et le béton et la butée des crénelures (l’appui des faces du crénelage contre le béton).
5
6
Test d’arrachement d’une barre ancrée dans un cylindre en béton
Aspect expérimental
τs
L’adhérence de l’acier et du béton peut être être mesuré mesurée e à l’aide l’aide d’es d’essai sais s « plu plus s ou moin mo ins s norm normal alis isés és » :
F τs F
glissement
d’arrachement ment direct direct « Pull Out Test Test – Essai d’arrache (P.O.T.) (P.O.T.) en Anglo-Saxon Anglo-Saxons» s» simple !
τs
τs
-N(x).x
τs
N(x+dx).x
x
– Essa Essaii de flexi flexion on « Beam Beam Test Test (B.T (B.T.) .) » plus complexe, mais représentant mieux le comportement réel de l’armature en traction dans da ns une une « ga gain ine e » de bét béton on en en flex flexio ion. n.
l
La contrainte tangentielle τs s’exprime s’exprime par : ∅ : diamètre de la barre dN force qui s’exerce s’exerce sur le tronçon tronçon de barre dx 7
x
x+dx
τ τ s =
dN × π π × φ φ dx
1
8
Essai d’arrachement direct
Essai d’arrachement direct
Courbe Courbe Force Force – glissement glissement Béton C25/30 Armature Φ 14
Armature à « haute haute adhé adhéren rence ce »
L'adhérence L'adhérence est favorisé par - L'état de surface des aciers : l'adhérence est améliorée lorsque la barre possède des nervures en saillies ou lorsque sa surface est rugueuse donc du type d’acier (HA et rond lisse) - La qualité du béton béton d'enrobage d'enrobage : en particulier le dosage et les conditions de vibration qui influent sur la compacité. - Les soins apportés apportés à la mise en œuvre œuvre : il faut éviter par exemple que les gros granulats empêchent, empêchent, par une création de voûte, voûte, à la pâte de béton d'enrober d'enrober les armatures. Il faut donc veiller à obtenir une bonne plasticité et une bonne vibration. vibration. A partir de ces essais, on obtient des courbes reliant le déplacement (de l’extrémité l’extrémité de l’acier (glissement)) à l’effort de traction appliqué F .
9
Essai d’arrachement direct
FMAX pour un glissement de 0,5 mm
Armature lisse
0,5
1,0
1,5
Glissement (mm) 10
Mécanismes de rupture d’adhérence acier-béton
Nous pouvons ainsi de déterminer la valeur de la contrainte d’adhérence moyenne en fonction des conditions de l’essai. Pour un type d’armature, plusieurs Φ et plusieurs classes de béton.
Rupture par adhérence L’armature n’est pas ancrée
On observe plusieurs types de rupture : - rupture rupture par traction traction de l’acier l’acier (c’est le matériau acier qui lâche) - glissement glissement de la barre barre dans le béton béton (il n’y a pas assez ass ez d’ad d’adhér hérenc ence e pour pour « cas casser ser » la barre barre)) - destruction du béton par arrachement arrachement d’un cône cône de béton (si la barre est proche d’un coin).
Rupture par éclatement La gaine de béton n’est pas assez résistante
« Ancr Ancrag age e total total » : Ancrage tel que lorsque la barre commence à glisser, elle vient d’atteindre sa limite d’élas d’élastic ticité ité fyk ! 11
12
Essai d’adhérence par flexion
Types de ruptures
13
Essai d’adhérence par flexion
14
Modélisation
ancrage
Hypothèses de CAQUOT (1930)
Importance de l’adhérence exemple de la flexion
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Etude expérimentale : F contraintes de cisaillement dans le béton découpant une série de cônes emboîtés les uns dans les autres et sensiblem sensiblement ent inclinés inclinés à 45° sur l'axe de la barre. L'enveloppe de ces cônes décrit une surface surface cylindrique. cylindrique. Les cônes sont assimilés à des bielles articulées qui tendent à coincer la barre. L'adhérence L'adhérence est donc assimilable à un phénomène phénomène de frottement et de butée. 16
Essai d’arrachement direct
Vérification expérimentale GOTO (1970)
F sur armature déplacement relatif acier/béton Ce mouvement va produire des fissures inclinées très tôt, au droit des surfaces ou l’acier vient en butée contre le béton. L’angle de ces fissures dépend de la géométrie des nervures. Les fissures sont freinées dans leur extension par le caractère axisymétrique du problème problème : à force égale, la contrainte de cisaillement chute, grâce a l’ augmentation augmentation de la l a surface résistante. Initialement,, cette résistance est apportée par l’adhérence chimique entre Initialement les surfaces, mais elle est généralement très faible. Ensuite Ensuite,, cette résistance sera remplacée par la résistance du béton a la traction, traction, jusqu’a un certain seuil qui sera déterminé déterminé par la limite élastique du béton béton (point A).
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18
In cours du CHEBAP de Jean PERCHAT
Essai d’arrachement direct Le béton commence ensuite a s’écraser devant les nervures de l’acier, en formant des butées dont l’inclinaison est d’environ 60°. Cet écrasement progressif du béton devant les nervures (point B) modifie l’angle des forces qui transfèrent la contrainte dans l’acier au béton. La composante de la force exercée par l’acier (perpendiculaire a l’axe longitudinal de la barre), est proportionnelle proportionnelle a la contrainte de la liaison. La composante radiale sollicite le béton comme une pression interne et produit des contraintes circonférentielles circonférentielles de traction. Ces contraintes peuvent provoquer des fissures radiales. Pour en savoir plus ! http://tel.archives-ouvertes.fr/do http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/13/27/49 cs/00/13/27/49/PDF/Doming /PDF/Dominguez2005.pd uez2005.pdff
Le mécanisme prédominant est l’interaction mécanique entre le béton et les nervures. nervures. Passage des petits glissements vers les grands déplacements (qui correspond a la région délimitée par les points B et C). 19
20
Aspects règlementaires : EC2 Ancrage des armatures longitudinales longitudinales (EC2 8.4) (1)P Les barres, fils ou treillis soudés doivent être ancrés de manière à assurer une bonne transmission transmission des forces forces d'adhérence au béton, en évitant toute fissuration longitudinale ainsi que tout éclatement du béton. Un ferraillage transversal est à prévoir si nécessaire. (2) Différents modes d'ancrage sont illustrés par la Figure 8.1 (3) Les coudes et les crochets ne contribuent pas aux ancrages des barres comprimées. (4) Il convient d'éviter d'éviter la rupture du béton béton à l'intérieur des coudes coudes en respectant le diamètre du mandrin de cintrage :
Φ Φm,min
Diamètres admissibles des mandrins de cintrage (EC2 8.3) (1)P Le diamètre de courbure minimal des barres doit être tel qu'il évite toute fissure de flexion dans l'armature rupture du béton béton situé dans la partie partie ainsi que toute rupture courbe de celle-ci. (2) Afin d'éviter d'endommager les armatures, il convient de plier la barre avec un mandrin de diamètre supérieur ou
égal à Φ . Φm,min Voir tableau 8.1N de l’EC2
(5) Lorsque des dispositifs mécaniques sont utilisés, il convient que les exigences d'essai soient soient conformes à la Norme de Produit concernée ou à un Agrément Technique Européen. Européen.
21
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Diamètres admissibles des mandrins de cintrage (EC2 8.3) (3) Il n'est pas nécessaire de justifier le diamètre du mandrin vis-à-vis de la rupture du béton si les conditions ci-après sont remplies : - l'ancrage nécessaire de la barre ne dépasse pas 5φ audelà de l'extré l'extrémité mité de la la partie partie courbe ; - la barre n'est pas disposée près de la surface surface (plan de flexion proche du parement) et il existe une barre transversale de diamètre ≥ φ à l'intérieu l'intérieurr de la partie partie courbe ; - le diamètre du mandrin est est supérieur ou égal aux valeurs valeurs recommandées du Tableau 8.1N. 23
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Diamètres admissibles des mandrins de cintrage (EC2 8.3)
Ancrage Ancra ge droit
autres ancrages !
φm Dans le cas contraire, il convient d'augmenter le diamètre du mandrin φ comme comme indiqu indiqué é par :
F bt est l'effort de traction dû aux charges ultimes dans une une barre ou un groupe de barres en contact contact à l'origine de la partie courbe.
F bt = π ×
∅²
4
× f yd
Habitudes Françaises
Habitudes Européennes
a b pour une barre donnée (ou groupe de barres en contact), est la moitié de l'entraxe entre les barres (ou groupes de barres) perpendiculairement au plan de la courbure. Pour une barre ou un groupe de barres proches du parement de l'élément, il convient de prendre pour a b l'enrobage majoré de Φ/2. Il convient de limiter f cd à la valeur de résistance résistance correspondant correspondant à la classe de béton C55/67. 25
26
Contrainte ultime d’adhérence (EC2 8.4.2) f bd ( bd bd = bond = adhérence )
Dalles et/ou « petit petites es » pout poutre res s
L’EC2 distingue les conditions d’adhérenc d’adhérence e « bonnes » et les conditions d’adhérence « médiocres » ! La contrainte ultime d’adhérence, d’adhérence, notée f bd , est prise prise égale égale à :
f bd = 2,25.η1.η2 .f ctd
Dalles
Aciers Aciers « chapeaux chapeaux » (Poutres continues M<0)
avec f ctd donné en plafonnant f ctk0,05 à 3,1 MPa, MPa, η1 est un coefficient coefficient lié aux conditions conditions d'adhérence d'adhérence et à la position de la barre au cours du bétonnage
Poutres
η1 = 1 quand les conditions d’adhérence sont réputées bonnes, η1 = 0,7 quand elles sont réputées médiocres (en particulier dans les éléments
réalisés au moyen de coffrages glissants),
η2 dépend du diamètre de la barre η2 = 1,0 pour Φ ≤ 32 mm η2 = (132 - Φ)/100 pour Φ > 32 mm (avec Φ en mm)
Valeur constante permettant un glissement très faible (< 0,5 mm) de l’armature dans sa gaine de béton.
27
28
Calcul de la longueur d'ancrage de référence maximale lb,r b,rqd qd MAX
Longueur d'ancrage de référence lb,rqd (EC2 8.4.3) (1)P Le calcul de la longueur d'ancrage requise doit tenir compte du type d'acier et des propriétés d'adhérence des barres. (2) En admettant une contrainte d'adhérence constante égale à f bd, la longueur d'ancrage de référence l b,rqd nécessaire pour ancrer l'effort As σ σsd qui règne dans une barre droite vaut :
Armature
f bd F MAX =
Φ
π × Φ 2 4
× f yd
Gaine de béton
où σ σsd est la contrainte de calcul de la barre dans la section à partir de laquelle on mesure l'ancrage. (3) Dans le cas des barres pliées, il convient de mesurer la longueur d'ancrage de référence l b et la longueur de calcul l bd le long de l'axe de la barre (voir Figure 8.1a)). (4) Lorsque les treillis soudés sont constitués de fils ou barres doubles, il convient de remplacer le diamètre Φ par le diamètre équivalent Φ Φn = √ 2 Φ Φ
ℓ b, rqd
Equilibre du morceau de barre de longueur F MAX =
29
dans sa gaine de béton
4
× f yd = ℓ b, rqd × π × φ × f bd F MAX
πφ × f bd
et finalement
lb , rqd =
φ f yd × 4 f bd
30
Longueur d'ancrage de calcul lbd (EC2 8.4.4)
Souvent, nous disposons (mise en place) plus de section d’armature que celle strictement nécessaire, la contrainte dans les armature armatures s à ancrer ancrer n’est donc donc que de σsd et non plus fyd.
⇒
π × φ
Soit lb , rqd =
Calcul de la longueur longueur d'ancrage d'ancrage réelle lb,rqd
lb ,rqd (réelle) =
ℓ b , rqd :
2
As ,calcul φ σ sd φ f yd × = × × 4 f bd 4 f bd As ,mis en place
lb ,rqd diminue ! 31
La longueur d'ancrage de calcul l bd vaut :
α 1 tient compte de l'effet de la forme des barres, l'enrobage étant supposé correct (voir Figure 8.1) α 2 tient compte de l'effet de l'enrobage minimal (voir Figure 8.3) α 3 tient compte de l'effet de confinement des armatures transversales α 4 tient compte de l'influence d'une ou plusieurs barres transversales (Φ t > 0,6 Φ ) soudées le long de l bd (longueur d'ancrage de calcul. (pour les T.S.) α 5 tient compte de l'effet de la pression orthogonale au plan de fendage le long de l bd (longueur d'ancrage de calcul) 32
33
Simplification Simplificati on : l lb,rqd
l b,eq
34
Ancrage au moyen de barres soudées (EC2 8.6)
Une simplification à con consi sist ste e à cons considé idére rerr que que l'ancrage de barres tendues selon les formes de la Figure 8.1 peut être assuré moyennant moyennant la prise en compte compte d'une longueur d'ancrage équivalente l b,eq (définie sur cette même figure), qui peut être être prise égale à : - α 1 l b,rqd pour les formes formes des Figures 8.1b) 8.1b) à 8.1d) (voir (voir Tableau 8.2 pour les valeurs de α 1) - α 4 l b,rqd pour les formes de la Figure 8.1e) (voir Tableau 8.2 pour les valeurs de α 4) Où α α 1 et α α 4 sont définis en (1) et dans le Tableau 8.2
Souvent l b,eq = 0,7 x l b,rqd Soit pour une C25/30
l b,eq = 0,7 x 46 ∅ = 32 ∅
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36
Valeur de Fbtd ! Note : La valeur de F btd à utiliser dans dans un pays donné donné peut être être fournie fournie par son Annexe Nationale. La valeur recommandée est : F btd = l td φ t σ σ td , sans être supérieure à F wd (8.8N) où : F wd est la valeur de calcul de la résistance au cisaillement de la soudure (donnée comme As f yd multiplié multiplié par un coefficie coefficient nt - par exemple exemple 0,5 As f yd , où As est l'aire de la section de la barre ancrée et fyd sa limite d'élasticité de calcul) l td est la longueur de calcul de la barre transversale : l td = 1,16 f t (f yd/σ σtd )0,5 < l t l t est la longueur de la barre barre transversale, transversale, limitée à l'espacement des des barres barres à ancrer ancrer φ t est le diamètre de la barre transversale σ σ td est la contrainte dans le béton ; σ σ td = (f σ cm)/y (f ctd +σ )/y ≤ 3 f cd σ perpendiculairement σ cm est la contrainte de compression dans le béton perpendiculairement aux deux barres (valeur moyenne, positive en compression) (-0,18x ) y est une fonction : y = 0,015 + 0,14 exp(-0,18x x est une fonction qui tient compte de la géométrie : x = 2 (c (c /f t) + 1 c est l'enrobage perpendiculairement perpendiculairement aux deux barres 37
38
Remarque Remarque importante importante : Pour les appuis directs (poutres sur murs), l bd peut être pris pris inférieur inférieur à lbmin si une armature transversale est soudée sur la barre ancrée ancrée à l’intérie l’intérieur ur de l’appui l’appui et à 1,5 cm du nu.
http://www.youtube.co http://ww w.youtube.com/watch?v=yywVjW m/watch?v=yywVjWtDr80&feature tDr80&feature=channel =channel http://www.youtube.co http://ww w.youtube.com/watch?v=n2zdB m/watch?v=n2zdBfIgBP4&feature= fIgBP4&feature=channel channel 39
40
Ancrage des armatures d'effort tranchant et autres armatures transversales (EC2 8.5)
41
Recouvrement des barres I (EC 8.7.2) (1)P Les recouvrements des barres doivent être tels que : - la transmission transmission des des efforts d'une d'une barre à l'autre soit soit assurée assurée - il ne se produise pas d'éclatement du béton au voisinage des jonctions - il n'apparaisse pas de fissures ouvertes ouvertes qui affecteraient le comportement de la structure. distance entre axes
Bielles comprimées longueur de recouvrement
Armature transversales tendues
(2) Il convient normalement : - de décaler les recouvrements et de ne pas les disposer dans des zones fortement sollicitées (rotules plastiques, par exemple). - de disposer les recouvrements de manière symétrique quelle que soit la section. 43
42
Recouvrement des barres II (EC 8.7.2) (3) Il convient de respecter les dispositions de la Figure 8.7 : - il convie convient nt de lim limit iter er à 4φ φ ou à 50 mm la distance libre entre barres comportant un recouvrement ; si cette condition n'est pas satisfaite, il convient d'augmenter la longueur de recouvrement d'une valeur égale à la distance libre entre les barres ; - il convient d'espacer longitudinalement les recouvrements voisins d'au moins 0,3 fois la longueur du recouvrement l 0 ; - dans le cas de recouvrements voisins, il convient de respecter une distance libre minimale de 2φ φ ou 20 mm entre barres adjacentes. (4) Lorsque les dispositions sont conformes à (3) ci-dessus, la proportion de barres tendues et comportant un recouvrement peut être de 100 % si les barres sont situées dans un même lit. Si les barres sont disposées en plusieurs lits, il convient de réduire réduire cette proportion proportion à 50 %. Toutes les barres comprimées et les armatures secondaires (de répartition) peuvent comporter un recouvrement dans une 44 même section.
Conditions de distance (EC 8.7.2) Distance libre entre les deux barres
Distance libre entre les deux barres
c ≤ min[4 φ φ ; 50 mm ]
c > min[4 φ φ ; 50 mm ]
c ≤ min[4 φ φ ; 50 mm ]
l0 -N
N
N(x) Barre 2
N x
x
0 N
N
Barre 2
C
Barre 2
0
N(x) Barres 1+2
Barre 1
N Barre 1
N(x) Barre 1
action du béton enveloppant le recouvrement
C
N
Bielles de béton inclinées à 45° qui transmettent l'effort normal d'une barre à l'autre
l0
+C
c = entraxe des barres l o = longueur de recouvrement L’équilibre des bielles montre l’existence d’un effort transversal égal à l’effort normal transmis. Il faut coudre le recouvrement pour reprendre cet effort
N x
l 0
Recouvrement des barres
l 0 + c
Longueur de recouvrement
45
46
47
48
(EC 8.7.3)
Armatures transversales dans le cas de barres tendues I (EC2 8.7.4.1)
Armatures transversales dans le cas de barres tendues II (EC2 8.7.4.1)
(1) Des armatures transversales sont nécessaires au droit des recouvrements pour s'opposer aux efforts transversaux de traction. φ des barres ancrées (2) Lorsque le diamètre φ par recouvrem recouvrement ent est inférieur inférieur à 20 mm, ou lorsque, dans une section quelconque, la proportion des barres avec recouvrement est inférieure inférieure à 25 %, alors on on peut, sans sans plus de de justification, considérer que les armatures transversales nécessaires par ailleurs suffisent pour équilibrer les efforts transversaux de traction.
(3) Lorsque le diamètre φ φ des barres ancrées par recouvrement est supérieur ou égal à 20 mm, il convient que la section totale Ast des armatures transversales (somme de tous les brins parallèles au lit des barres de la jonction) soit supérieure ou égale à la section section As d'une des barres du recouvrement (ΣAst > 1,0A 1,0As). Il convient de disposer les barres transversales perpendiculair perpendiculairement ement à la direction du recouvrement, recouvrement, entre celui-ci et le parement de béton. Si plus de 50 % des armatures sont ancrées par recouvrement dans une section donnée, et si la distance a entre recouvrements adjacents dans une section est ≤ 10φ φ (voir Figure 8.7), il convient d'utiliser comme armatures transversales des cadres, étriers ou épingles ancrés dans la section. (4) Il convient de disposer les armatures transversales prévues selon (3) ci-dessus aux extrémités du recouvrement, comme indiqué sur la Figure 8.9 8.9 a).
49
Armatures transversales dans une zone de recouvrement (EC 8.7.4)
50
Recouvrements des treillis soudés constitués de fils fils à haute adhér adhérence ence (EC2 8.7.5) EC2 8.7.5.1
Recouvrements des armatures principales
(1) En complément aux règles applicables aux barres tendues, il convient de disposer une barre transversale de part et d'autre du recouvre recouvrement, ment, à une distance distance inférieure inférieure à 4φ φ des extrémités Avec des armatures soudées, 3 armatures transversales devraient suffire ! 51
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Recouvrements des treillis soudés constitués de fils fils à haute adhér adhérence ence (EC2 8.7.5)
Règles supplémentaires pour les barres de gros diamètre (EC2 8.8) Il existe des conditions particulières pour les barres de gros diamètre Φ> 32mm
Voir EC2 8.8 …
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Recouvrement des paquets de barres
Ancrage des paquets de barres (EC2 8.9)
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(EC2 8.9)
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