ESSAIS EXPÉRIMENTAUX
IV.1 PHÉNOMÈNE DE POINÇONNEMENT
IV.2.5 Bilan énergétique
Les énergies calculées dans les paragraphes précédents sont récapitulées dans le tableau IV.16.
Énergie (kJ) Désignation Référence Essai T4 Essai T5
Théorique incidente (mgh) Eimp - 138 134
Transmise à la dalle Ed § IV.2.1 16 22
Absorbée par poinçonnement Epoin § IV.2.2 1,1 1,95
Cinétique du bloc après éjection Ecbloc § IV.2.3 5,8 3,3
Absorbée par les appuis fusibles Eapp,él § IV.2.4 0,85 0,85
Ecd + Epoin + Ecbloc + Eapp,él Etotale - 23,8 28,1
Dissipée lors du contact (Eimp - Etotale) Econtact - 114,2 105,9
tableau IV.16 : bilan énergétique des essais T4 et T5
La part d’énergie absorbée par le poinçonnement de la dalle est relativement faible par rapport à l’énergie transférée à la dalle (entre 7 et 9 %). Le poinçonnement est donc un phénomène qui peut endommager très fortement la dalle localement mais dissipe peu d’énergie par rapport à la mise en flexion de la dalle. Pour des chocs en travée, lorsque les appuis sont sollicités en élasticité, leur dissipation d’énergie reste faible avec seulement 0,85 kJ. En revanche, leur contribution prend une part importante dès lors que le cloquage apparaît (11,8 kJ pour un choc en rive).
Le bilan énergétique révèle qu’une part importante de l’énergie d’impact est dissipée lors du contact entre le bloc et la dalle. Les phénomènes se produisant durant cette phase sont méconnus et la littérature abordant ces mécanismes de dissipation pour le matériau béton est
phase de contact est néanmoins établie :
• Une déstructuration du béton de surface : le volume de béton directement sous la
surface d’impact est soumis à une pression très sévère et peut être considéré comme confiné par le reste du béton de la dalle [BUR, 01]. Un phénomène de compaction se produit dissipant de l’énergie par déstructuration du matériau.
Ce mécanisme est fortement exothermique et une quantification par un équivalent calorifique peut être tentée. Expérimentalement, lors du test T6, une augmentation de température de 5 K de la surface d’impact de la dalle avait été constatée. La baisse de température avait été rapide puisque 5 minutes après le choc la zone impactée avait retrouvé sa température initiale indiquant qu’une faible épaisseur de dalle devait être
concernée. Une estimation donnant uniquement un ordre d’idée de l’énergie « ∆Ech »
dissipée par ce phénomène peut être effectuée. La montée en température « ∆θ » d’un
volume de béton « Vbc » ayant pour aire la surface d’impact et une épaisseur
correspondant à la couche d’enrobage de la dalle est considérée. L’équation (IV.51) donne une énergie consommée d’environ 19 kJ. Cette énergie calorifique peut donc rapidement prendre des valeurs importantes mais reste difficilement quantifiable.
ch bc vb
E =V ∆θ c
∆ (IV.51)
avec Vbc = 0,07 m² x 0,023 m
∆θ = 5 K
cvb = chaleur volumique du béton = 2300 kJ.m-3.K-1
• Des frottements internes : des glissements très rapides se produisent entre les
armatures et le béton ainsi que des frottements béton-béton lors de la création de fissures. Ces mécanismes génèrent un échauffement dissipant de l’énergie [LUO, 03].
• Une transmission d’ondes élastiques : selon Tillet [TIL, 54] [REE, 85], pour des
impacts sur des plaques en plastique, l’énergie dissipée sous cette forme dépend des constantes élastiques du matériau et est négligeable.
• Une énergie dissipée due aux comportements viscoélastiques des matériaux de la dalle
et du bloc et également des patins en néoprène sous les appuis fusibles [KUW, 87] [HER, 95] [BRI, 96].
• Une émission d’énergie acoustique : le bruit intense généré lors de l’impact diffuse de
l’énergie. Cette dissipation est néanmoins négligeable devant les autres phénomènes. • …
Malgré ses nombreux mécanismes de dissipation, l’énergie cinétique conservée lors de l’éjection du bloc prouve que le choc n’est pas parfaitement mou. Un coefficient de restitution global calculé à partir des énergies de la dalle et du bloc avant et après éjection, afin de se ramener au schéma d’un choc de solides indéformables, peut être estimé. Le coefficient « e » donné par l’équation (IV.52) prend en compte les phénomènes dissipatifs lors du choc, par poinçonnement et dans les appuis.
bloc,0 d,0
bloc d Ec - E e =
Ec ′- E ′ (IV.52)
avec Ecbloc,0 et Ed,0 = énergies du bloc et de la dalle avant choc,
Ecbloc’ et Ed’ = énergies du bloc et de la dalle après éjection.
Une valeur de 0,07 et de 0,14 est trouvée respectivement pour les essais T4 et T5 donnant un coefficient moyen de 0,1.
IV.3 SYNTHÈSE
Ce chapitre a mis en évidence que l’effort de percussion exercé par le bloc sur la dalle durant la phase de contact dépend de nombreux paramètres : rigidité de la dalle, inclinaison du bloc, masse et vitesse de l’impacteur. L’analyse expérimentale a néanmoins permis d’évaluer, à partir de la variation de la quantité de mouvement du bloc, des temps de contact de l’ordre de 3,5 ms et des efforts de percussion compris entre 2,1 et 2,8 MN pour un choc à 135 kJ à mi-travée.
Une comparaison avec la résistance au poinçonnement de la dalle calculée par la méthode de Menétrey, en prenant en compte les phénomènes dynamiques, a montré qu’un dépassement de cette résistance se traduisait par une rupture d’armatures d’effort tranchant. Un moyen efficace d’accroître la résistance au poinçonnement est donc d’augmenter le taux d’armatures d’effort tranchant. L’utilisation de béton de fibres polypropylènes ou métalliques semble également, d’après la littérature, être une méthode efficace.
L’estimation des énergies transférées à la structure prouve que le bloc transmet à la dalle une énergie comprise entre 12 et 16 % de son énergie incidente pour un choc a mi-travée. Cette énergie se retrouve sous forme d’un échange entre énergie cinétique et de déformation durant les oscillations de la dalle. Le phénomène de poinçonnement, bien qu’engendrant des dommages locaux importants, absorbe une faible quantité d’énergie par rapport à la mise en flexion de la dalle. Les appuis ont une influence dans l’absorption de l’énergie d’impact uniquement lorsqu’un cloquage apparaît, c’est-à-dire pour les chocs en rive.
Cette analyse a également mis en exergue que le choc ne pouvait être considéré comme parfaitement mou. Un coefficient de restitution, calculé à partir des énergies de la dalle et du bloc avant et après éjection, a été estimé à environ 0,1.
Ce chapitre a permis de quantifier les sollicitations appliquées à la structure et les énergies transférées à la dalle lors d’un choc. Ces résultats serviront de référence afin de développer et caler des modèles simulant les essais expérimentaux.