Association acier-béton

ASSOCIATION ACIER-BETON

1/ Définition de l'adhérence Les conditions de résistance d'un élément en béton armé supposent que les armatures ne glissent pas à l'intérieur du béton. C'est le phénomène d'adhérence qui empêche ou limite ces glissements. Cette propriété physique permet la transmission des efforts et un fonctionnement rationnel : le béton suit alors les armatures dans leurs déformations. Les justifications que nous effectuerons en ELU (A6 du BAEL) porteront sur : - la limitation de l'entraînement des armatures de façon à ne pas endommager le béton les entourant, - les ancrages des extrémités de barres, - les jonctions, - les recouvrements, - les coutures des barres. La transmission des efforts du béton aux armatures s'effectue par le phénomène d'adhérence mais aussi par la courbure que l'on pourra donner aux barres. 2/ Essai d'arrachement d'une barre scellée 2.1/ Description du dispositif expérimental et résultats Il s'agit d'éprouver en traction une barre d'acier entourée par une éprouvette de béton avec le dispositif expérimental suivant :

BTS Bâtiment 1ère année

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Association Acier-Béton

La liaison entre le béton et l'acier est caractérisée par la résistance à l'arrachement de la barre sous l'effet de l'effort F.

Dans le cas d'un acier RL de nuance douce, il y a un glissement en A s'accentuant rapidement à partir d'une contrainte faible, d'environ 1MPa, et la rupture, c'est à dire le glissement du point B, a lieu pour une valeur du glissement en A de 2,3mm et une contrainte de 2,5MPa. Dans le cas d'une armature HA, la résistance à l'arrachement varie avec l'état de surface de la barre. Pour un acier uniquement nervuré, il y a une amorce de glissement comme pour le RL qui est ensuite stoppée par les nervures vers 1,5mm et ces nervures permettent d'atteindre 10 MPa avant le glissement du point B. Pour un acier avec des nervures et verrous, l'amorce de glissement n'a pas lieu et la résistance atteinte est beaucoup plus forte (environ 11MPa). On remarque aussi que le glissement de A lorsque B amorce le sien est de l'ordre de 0,8mm, soit beaucoup plus faible. 2.2/ Analyse des résultats Dans le cas des ronds lisses, l'étude expérimentale conduit à supposer qu'il se forme dans le béton, sous l'action de F, une série de cônes emboîtés les uns dans les autres et sensiblement inclinés à 45° sur l'axe de la barre. L'enveloppe de ces cônes décrit une surface cylindrique. Les cônes sont assimilés à des bielles articulées qui tendent à coincer la barre. L'égalisation des déformations du béton et de l'acier est rendue possible par ce phénomène. L'adhérence est donc assimilable à un phénomène de frottement.

Pour qu'il y ait formation de ces cônes, il faut que les barres soient suffisamment enrobées par le béton. Les bielles ainsi créées forment des sortes de cliquets réagissant par frottement. Deux cas peuvent se produire: - les efforts inclinés à 45° sont insuffisants: il y a rupture d'adhérence car l'effort F dans la barre ne peut pas être équilibré et la barre glisse dans le béton qui ne peut s'y opposer. - l'effort F génère dans la barre des contraintes qu'elle ne peut supporter: il y a rupture de l'acier car la résistance en traction de la barre est épuisée. BTS Bâtiment 1ère année

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Dans le cas des barres à haute adhérence, le comportement du béton est identique. Le béton entre les créneaux et les verrous s'oppose au glissement par l'intermédiaire des efforts à 45° mais lorsque le glissement est en mesure de s'amorcer, ces créneaux et verrous le bloquent. 3/ Facteurs influant sur l'adhérence L'adhérence est favorisée 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, - la qualité du béton d'enrobage : en particulier le dosage et les conditions de vibration qui influent sur la compacité, - les soins apportés à la mise en œuvre : il faut éviter par exemple que les gros granulats empêchent, par une création de voûte, la pâte de béton d'enrober les armatures. Il faut donc veiller à obtenir une bonne plasticité et une bonne vibration. 4/ Contrainte d'adhérence La liaison entre une armature et le béton est mesurée par la contrainte d'adhérence τs (article A.6.1,1 du BAEL91). Soit une barre rectiligne scellée dans un bloc de béton. Appliquons à cette barre un effort de traction F et étudions l'équilibre statique. barre HA de diamètre

F

l

τs

F

l

La barre est donc soumise : - à l'effort de traction F, - à la contrainte d’adhérence τ s correspondant aux efforts du béton incliné à 45°. La contrainte est constante sur toute la longueur l de la barre et est répartie tout autour de celle-ci, sur une surface égale à πφ. Le principe d’équilibre nous permet de dire que la contrainte d’adhérence s’oppose à l’effort de traction dans la barre donc : F = τ s ⋅π ⋅φ ⋅ l Ce qui nous donne : F τs = π ⋅φ ⋅ l Une valeur limite pour la contrainte d'adhérence est fixée par l'article A.6.1,21 du BAEL91. Cette contrainte intègre à la fois les caractéristiques de l’acier, avec le coefficient de scellement ψs, et celles du béton, avec sa résistance à la traction ftj : τ su = 0,6 ⋅ψ s2 ⋅ f tj ψs = 1 pour les RL = 1,5 pour les armatures HA Le BAEL donne les valeurs de τsu pour quelques valeurs courantes de fc28.


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Du point de vue mécanique, le béton est caractérisé par sa faible capacité d'allongement et sa faible résistance en traction. L'acier est donc utilisé dans les zones tendues. Son allongement sous l'effet des tractions entraîne donc la fissuration du béton tendu. Nous verrons, plus loin, que si ce dernier est négligé dans les calculs, il n'en reste pas moins présent. Nous pouvons décomposer le comportement du béton armé en zone tendue en 4 phases:

- En phase 1, le béton et l'acier travaillent ensembles puisque la résistance d'aucun des deux matériaux n'est épuisée. - En phase 2, la résistance du béton est dépassée mais ce dernier peut suivre l’acier de façon plastique. - En phase 3, le béton est au delà de sa rupture et est donc fissuré. Il ne peut donc plus suivre l'acier qui travaille seul. - En phase 4, la limite élastique de l'acier est dépassée (10.10-4). Nous ne pouvons pas faire travailler le matériau béton armé dans ce domaine. Lorsque nous sommes en phase 3, soit en phase courante et si nous avons utilisé des aciers ronds lisses, nous remarquerons que les fissures sont larges car elles prennent en compte l'allongement de l'acier glissant dans le béton. Par contre, dans le cas d'armatures à haute adhérence, les fissures seront fines et étroitement espacées. Cela résulte des multiples points d'ancrages constitués par les crénelures qui égalisent la distribution des contraintes. Nous nous attacherons à limiter la fissuration pour des raisons : - d'étanchéité et d'imperméabilité, - d'aspect des ouvrages, - de durabilité à cause du risque de corrosion des armatures. Il faudra donc limiter la contrainte admissible en traction des aciers, disposer judicieusement les armatures en utilisant autant que possible des barres de petit diamètre et en les enrobant de façon optimale dans le béton.


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Le règlement précise que les dispositions a) et b) sont nettement plus défavorables que les dispositions c) et d) qui assurent une meilleure répartition des fissures (article A.4.5,323 du BAEL).

1/ Ancrage droit d'une barre droite Une barre est dite "ancrée" lorsque l'effort F de traction exercé sur cette barre est entièrement équilibré par l'adhérence entre le béton et l'acier dans la zone d'ancrage. Par définition, nous désignerons par ls la longueur de scellement droit, c'est à dire la longueur d'une barre de diamètre φ capable d'équilibrer avec une contrainte d'adhérence τsu, l'effort F provoquant dans cette barre une contrainte de traction égale à la limite élastique de l'acier fe. barre HA de section A

Nous aurons donc:

τs

f e ⋅ πφ 2 4 F = τ su ⋅ π ⋅ φ ⋅ l s

F = fe ⋅ A =

F, fe et ls

ls =

Ce qui donne :

φ ⋅ fe 4τ su

A défaut de calcul précis, le BAEL (article A.6.1,221) permet d'adopter les valeurs forfaitaires suivantes: ls = 40φ pour les aciers HA Fe E 400 où ψs≥1,5 ls = 50φ pour les aciers HA Fe E 500 où ψs≥1,5 pour les aciers RL Fe E 215 et Fe E 235 Le BAEL donne également certaines valeurs du rapport ls / φ pour certaines valeurs particulières de fcj et pour des aciers HA. L’article A.6.1,222 précise que lorsque l'aire réelle Ar de la section droite d'une barre est plus grande que l'aire strictement nécessaire déterminée par le calcul Acal, la longueur d'ancrage ls peut être réduite dans le rapport Acal / Ar sans pouvoir être inférieure à 10 fois le diamètre de la barre. A longueur d'ancrage : l = sup(ls cal ;10φ ) Ar


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2/ Ancrage par courbure des barres tendues (A.6.1,25 du BAEL) l3

r

l2

l1

l1 = portion d’ancrage rectiligne l2 = portion d’ancrage courbe, de rayon r l3 = portion d’ancrage rectiligne 2cm

Les articles A.6.1,251 et A.6.1,252 donnent les valeurs minimales des rayons de courbure r : -

-

pour les barres RL Fe E 215 et 235 : o r = 3φ pour les ancrage des armatures o r = 2φ pour les ancrage des cadres, étriers et épingles pour les barres HA Fe E 400 et 500 : r = 5,5φ

Le BAEL à l’article A.6.1,255 indique également les valeurs de l3 en fonction de la courbure de l’acier : - 5φ à la suite d’un arc de cercle de 180°, - 10φ à la suite d’un arc de cercle de 135°, - 15φ à la suite d’un arc de cercle de 90°. Quant à l1, des dispositions constructives précisent :

l1 ≥ 3 à 4 φ

1/ Objectif et principe Les armatures trouvées dans le commerce ayant une longueur limitée, il est parfois nécessaire pour certains éléments de plus grande longueur, d'utiliser plusieurs barres. Pour établir la continuité entre les barres, nous effectuerons un recouvrement, c'est à dire que nous ferons chevaucher les barres sur une longueur lr, dite longueur de recouvrement. Cette longueur sera donc la longueur nécessaire pour assurer la transmission des efforts qui sollicitent l'armature. Il faut assurer la continuité mécanique au niveau du recouvrement en mobilisant l'adhérence et le frottement du béton sur l'armature.


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2/ Jonction des barres tendues rectilignes 2.1/ Simple recouvrement des extrémités de barres (article A.6.1,223) Les efforts sont transmis d'une barre à l'autre par le jeu de l'adhérence du béton.

c = distance entre axes des 2 barres.

2.2/ Recouvrement par couvre joint Les 2 barres sont dans le même alignement. La transmission est assurée par une 3ème barre de même diamètre.

2.3/ Armatures de couture des recouvrements (article A.6.1,23 et A.6.2,3)

La transmission des efforts se fait toujours par des bielles inclinées à 45° sur l'axe de l'armature. Nous pouvons décomposer l'effort de traction : F = As ⋅ f e en un composante oblique Fb équilibrée par les bielles de béton et une composante verticale Ft équilibrée par ces armatures de couture. Nous aurons : At ⋅ f et = As ⋅ f e ΣAt.fet = effort de traction dans les armatures de couture égal et opposé à la composante Ft fet = limite élastique des aciers utilisés comme armatures de couture At = section totale des brins d'une nappe d'armatures de couture As = section des armatures à recouvrir et fe leur limite élastique

Les armatures de couture auront des petits diamètres de manière à assurer une bonne répartition de ces armatures sur la jonction.


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3/ Jonction de barres tendues avec crochets normaux aux extrémités (article A.6.1,253)

lr

avec :

si c ≤ 5φ

lr = la

si c > 5φ

lr = la + c

l a = 0,6l s pour les aciers RL l a = 0,4l s pour les aciers HA

4/ Jonction de barres comprimées (article A.6.1,24) Les jonctions de barres susceptibles d'être comprimées sont obligatoirement rectilignes. Si la barre est toujours comprimée, si elle ne fait pas partie d'un paquet de 3 barres et si les entre axes des barres en jonction sont au plus égaux à 5 fois leur diamètre, nous pourrons considérer lr = 0,6ls que : Pour les armatures de couture, il faudra se reporter au chapitre sur les poteaux en compression centrée.

5/ Recouvrement des treillis soudés (voir article A.6.2) 6/ Autres procédés de recouvrement (article A.6.1,223) Nous pourrons souder les barres bout à bout ou effectuer une soudure par recouvrement mais nous pourrons aussi utiliser des manchons sous réserve d'essais probants.


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