2. REVUE DE LA LITTERATURE
2.3. Le rotin
2.3.5. Utilisation du rotin comme armature dans le béton
Beaucoup de travaux ont porté sur l’utilisation dans le béton, d’armatures végétales comme le bambou et le rotin. Tous les auteurs s’accordent pour dire que les équations et
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procédures de design pour le béton armé d’acier peuvent être employées de façon tout à fait sécuritaire pour la conception des poutres de béton armé de bambou. Mais la grande difficulté à laquelle ils sont confrontés est l’adhérence entre les deux matériaux.
NGOUADJEU P. (1992) s’est penché sur les possibilités techniques d’utilisation du gros rotin (Laccosperma secundiflorum) dans le béton pour les constructions. De ses travaux, il ressort que l’utilisation du gros rotin comme armature dans les éléments faiblement chargés et les poutres de petite portée est possible. L’approche consiste à utiliser des cadres (armatures principales dont les deux bouts se prolongent dans la partie comprimée de la poutre) pour reprendre le moment fléchissant. Ainsi obtient-on une adhérence apparente variant de 2,83 MPa à 5,43 MPa pour des contraintes de rupture en traction du rotin allant de 52 MPa, à 100 MPa.
Mais, FOUDJET A. et FOMO J. (1995) affirment que l’adhérence béton-rotin est très faible. Ils proposent alors un procédé qui consiste à utiliser une structure périodique de confinement pour mieux reprendre le moment fléchissant. La technique consiste globalement à façonner les armatures de rotin ou de bambou en forme de cadre ayant un coté dans la zone comprimée. Ils affirment qu’ils pensent qu’avec le bambou cette valeur de l’adhérence approcherait celle obtenue dans le cas de l’acier. Leur souci est de proposer plus tard un matériau économique pour l’habitat en zone tropicale, en utilisant le béton de nodules latéritiques dans lequel le gravier est remplacé par des nodules et comme armature le bois rotin.
MAHZUZ H. et al. (2014) ont évalué l’efficacité d’utiliser Zali Bet, nom Bangladesh du rotin Calamus guruba comme armature dans une poutre. Zali Bet a été utilisé comme armature longitudinale et transversale afin d’avoir son apport physique. Sa limite d’élasticité et son module d’élasticité sont respectivement 52 MPa et 71 MPa. Ils ont constaté que les barres de rotin prennent environ 23,5% de la charge maximale que peut supporter la poutre. De plus, la diminution de l’espacement des armatures transversales fait augmenter la résistance en cisaillement. Les barres de rotin supportent 63% de la charge maximale. Ils ont donc conclu que le rotin peut être utilisé pour des éléments de structure faiblement chargés.
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Photo 2.15 : Zali Bet utilisé comme armature longitudinale (MAHZUZ H. et al. 2014)
Photo 2.16 : Zali Bet utilisé comme armature transversale (MAHZUZ H. et al. 2014) SOHOUNHLOUE A. et al. (2014) ont fait une étude de la zone de recouvrement entre deux tiges de rotin du Cameroun afin d’obtenir un ensemble ayant la résistance d’un rotin non sectionné dans la zone de liaison. Des essais de compression et de cisaillement par compression ont été réalisés pour déterminer les caractéristiques mécaniques du rotin et les caractéristiques mécaniques de l’assemblage et de connaître la résistance au cisaillement de la section mixte métal-rotin ainsi constituée. Il en ressort que, Le module de Young du rotin en compression est de 1190 MPa avec un écart type de 174 MPa. La contrainte de rupture en compression vaut 26 MPa avec un écart type de 2 MPa. Et la limite élastique est de 21 MPa avec un écart type de 2,5 MPa. De l’essai du cisaillement par compression de la section mixte métal - rotin, une longueur de 2,5d (d diamètre du rotin) garantit une liaison maximale entre le rotin et le métal dans la zone de recouvrement. Ils ont conclu que ce mode de recouvrement peut être avantageusement utilisé dans les poteaux en béton qui travaillent essentiellement en flexion
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composée avec une grande prépondérance de compression avec une longueur de recouvrement de 2,5d ; ou alors dans la partie tendue des poutres en flexion avec un recouvrement de 8d. Il est aussi à noter que cette section mixte augmente l’adhérence de l’armature de rotin dans le béton à cause du métal utilisé.
Figure 2.6 : Schéma de modélisation du système (SOHOUNHLOUE A. et al. 2014) 2.4. Le béton hydraulique
2.4.1. Définitions
Le béton est un matériau de construction usuel, qui s’apparente à une pierre artificielle.
Ses constituants essentiels sont :
un mélange granulaire de sable et graviers formant le squelette du matériau ;
un liant hydraulique, le ciment, assurant la cohésion entre les différents grains du squelette ;
l’eau est le réactif chimique provocant la prise du ciment (hydratation) ;
éventuellement, et en faible quantité, des produits d’addition, les adjuvants, influençant certaines propriétés ou comportements du matériau béton (TCHOUANI NANA J. 2002).
2.4.2. Qualités recherchées pour un béton
Les principales qualités recherchées pour un bon béton sont :
une résistance mécanique élevée ;
une imperméabilité et une absence de réaction chimique avec les armatures ;
une bonne tenue dans le temps ;
un retrait minimum ;
une facilité de mise en œuvre (GBAGUIDI V. 2015).
Dans le cadre de cette recherche, nous nous intéresserons aux propriétés mécaniques du béton notamment la résistance en compression et aux différents phénomènes susceptibles d’agir sur cette dernière.
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2.4.3. Propriétés mécaniques
2.4.3.1. Résistance à la compression
La résistance à la compression du béton dépend en majeure partie de sa composition.
En général le béton présente de bonne résistance à la compression, les essais de détermination de la résistance à la compression sont effectués suivant la norme européenne NF EN 12390-3, sur des éprouvettes cylindriques de 160 mm de diamètre et 320 mm de hauteur (GAGLIARDINI O. 2004). Il permet à partir d’une courbe contrainte - déformation de déterminer :
la résistance maximale à la compression ;
le module de Young instantanée ;
la déformation maximale à la rupture qui est sensiblement égale à 2%.
Figure 2.7 : Courbe contrainte-déformation d’un essai de compression (GAGLIARDINI O. 2004)
2.4.3.2. Résistance à la traction
Le béton ne présente pas de très bonne caractéristique à la traction, sa résistance à la traction est d’environ 8 à 12 fois plus faible que celle en compression. La résistance à la traction se détermine par différents essais tels que l’essai de traction directe, l’essai de traction par fendage ou essai brésilien et l’essai de traction par flexion (GBAGUIDI V. 2015).
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2.4.4. Phénomènes influant les caractéristiques mécaniques du béton 2.4.4.1. Le fluage
Le fluage est un phénomène de déformation différé du béton sous charges de longues durées d’application. Ces déformations ne sont pas négligeables puisqu’elles peuvent représenter jusqu’à 2 fois la déformation instantanée. Elle augmente en fonction de l’eau de gâchage et de la sécheresse de l’air (comme le retrait) et, diminue lorsque croît le dosage en ciment ou l’âge du béton à la mise en charge (GBAGUIDI V. 2015).
v
3
i
(2.1)où
vest la déformation totale et
i la déformation instantanée.Figure 2.8 : Contrainte appliqué et déformation enregistré en fonction du temps pour un essai de fluage d’éprouvette de béton (GAGLIARDINI O. 2004)
2.4.4.2. Le phénomène de retrait
C’est un phénomène de raccourcissement qui accompagne la prise du ciment. Elle est due à l’évaporation de l’eau non lié avec le ciment et peut entrainer des déformations de l’ordre de 1.5 10-4 à 5 10-4 selon l’humidité de l’environnement. La principale conséquence du retrait est l’apparition de contraintes internes de traction, contraintes dont la valeur peut facilement dépasser la limite de fissuration (GAGLIARDINI O. 2004).
Pour se protéger des désordres liés au retrait, on adoptera les dispositifs constructifs suivants :
utiliser des ciments à faible chaleur d’hydratation ;
maintenir les paramètres en ambiance humidité après coulage ;
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disposer des armatures de peaux de faible espacement pour bien répartir les fissures de retrait ;
utiliser des adjuvants limitant les effets du retrait.
2.4.4.3. La dilatation thermique
Le coefficient de dilatation thermique du béton varie entre 7 et 12 10 °C 6 -1. On adopte en général dans les calculs 10 10 °C 6 -1 (GBAGUIDI V. 2015).
Par ailleurs, on notera en général, que la valeur du coefficient de dilatation du bois est en moyenne de 5 10 °C 6 -1 dans la direction axiale, ce qui est inférieure à celle du béton.
2.4.5. Modélisation et calculs réglementaires 2.4.5.1. Résistance à la compression
Notée
f
cj à j jours d’âge, elle est définie comme la valeur de la résistance en dessous de laquelle on peut s’attendre à rencontrer 5% au plus de l’ensemble des ruptures des essais de compression. En pratique, comme le nombre d’essais réalisés ne permet pas un traitement statistique suffisant, on adopte la relation simplifiée suivante :1,15
j
fcj
(2.2)
où
j est la valeur moyenne des résistances obtenues sur l’ensemble des essais réalisés (GAGLIARDINI O. 2004).46
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2.4.5.2. Résistance à la traction
La résistance caractéristique à la traction du béton à j jours, notée ftj, est conventionnellement définie par les relations :
28
Ainsi donc la résistance à la traction du béton croît avec l’accroissement de la résistance à la compression (GAGLIARDINI O. 2004).
2.4.5.3. Les modules de déformations longitudinales
Pour le béton, nous disposons du module de déformation instantanée et du module de déformation différé. Le premier est utilisé pour les calculs en cas de chargement de courte durée, inférieure à 24h, et le second pour les chargements de longue durée (cas courant) afin de prendre en compte artificiellement les déformations de fluage du béton. Celles-ci représentant approximativement trois fois les déformations instantanées, le module différé Evjest pris égal au tiers du module instantané Eij (GAGLIARDINI O. 2004).
1
vj 3 ij
E E (2.6) Le module de déformations instantanées est :
1
Pour les calculs à ELU, le comportement réel du béton est modélisé par la loi parabole-rectangle sur un diagramme contraintes déformations donné sur la figure suivante :
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Figure 2.9 :Diagramme de calcul du Béton à ELU (GAGLIARDINI O. 2004) De ce diagramme le règlement BAEL défini les valeurs de calcul suivant :
bc1 2
000La valeur de calcul de la résistance en compression du béton
f
buest donnée par :
f
cj est la résistance caractéristique du béton en compression à j jours est un coefficient qui tient compte de la durée d’application des charges : 1, si la durée est supérieure 24h;
b, le coefficient de sécurité partiel vaut 1,5 pour les combinaisons fondamentales et 1,15 pour les combinaisons accidentelles.48
Mahutin Anicet HOUNSA 2.5. Conclusion
De ce chapitre, il ressort clairement que l’usage du bois de rônier comme matériau de construction est d’une tradition très ancienne et remonte même au néolithique. Avec ses propriétés telles que sa consistance et sa tenue aux intempéries et surtout grâce à ses fibres longitudinales qui lui confèrent une résistance élevée en traction, proche de celle de l’acier le rônier paraît susceptible de remplacer celui-ci comme armature dans les éléments de béton, telles que les poutres, pour des constructions modernes surtout en milieu rural. Le rônier a même été utilisé dans le cadre de la construction d’une villa. Par ailleurs, un pont de la région de Takamanda, au Cameroun, a été construit en rotin.
Cette partie nous a permis de faire l’état de l’art des connaissances sur l’utilisation des matériaux.
3. MATERIELS ET METHODES
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Mahutin Anicet HOUNSA 3.1. Introduction
La qualité sur la détermination des caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux à utiliser dépend des matériels utilisés et des différentes méthodes employées.
Dans ce chapitre, nous présenterons successivement les matériaux, les matériels et les différentes méthodes utilisés pour déterminer ces caractéristiques.
3.2. Matériaux
Les matériaux utilisés dans le cadre de notre étude sont :
le bois borassus provenant des lattes laissées en stock dans un milieu sec par les promotions antérieures;
le bois rotin que nous avons racheté à un artisanat ;
les granulats :
le sable lagunaire ;
le gravier roulé de Lokossa que nous avons lavé et débarrassé de toutes impuretés ;
le ciment CEM II/B-LL 42,5 R de la nouvelle cimenterie du Bénin ;
l’eau de forage du Campus d’Abomey-Calavi.
3.3. Materiels et methodes
3.3.1. Caractéristiques physiques et mécaniques du bois rônier 3.3.1.1. Détermination de l’humidité (NF B51-004)
3.3.1.1.1. But
Cet essai a pour but de déterminer l’humidité du bois en vue des essais physiques et mécaniques.
3.3.1.1.2. Principe
Détermination, par pesées, de la diminution de masse d’une éprouvette ou d’un lot d’éprouvettes après dessiccation et calcul en pourcentage du rapport entre la diminution de masse constatée et la masse de l’éprouvette ou du lot d’éprouvettes anhydre.
3.3.1.1.3. Appareillage
Une balance précise à 0,01 g ;
une étuve ventilée ;
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un dessiccateur.
3.3.1.1.4. Mode opératoire
Reprendre les éprouvettes utilisées pour d’autres essais physiques et mécaniques ou des fragments, de forme quelconque, après rupture.
Peser l’éprouvette à 0,5 % de sa masse mH.
Déshydrater l’éprouvette dans l’étuve jusqu’à masse constante.
Peser l’éprouvette anhydre à 0,5 % de sa masse après son refroidissement dans le dessiccateur (m0).
Cette pesée doit être effectuée rapidement afin d’éviter une reprise d’humidité supérieure à 0,1 %.
3.3.1.1.5. Calcul et expression des résultats L’humidité H est calculé par la formule :
00
% mH m 100
H m
(3.1)
où :
mH est la masse, en gramme, de l’éprouvette avant dessiccation,
m0 est la masse, en gramme, de l’éprouvette anhydre.
Photo 3.1 : Etuve utilisé pour tous les
essais Photo 3.2: Balance précise à 0,01 g utilisée pour les essais sur les bois
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L’humidité d’un lot d’éprouvettes est égale à la moyenne arithmétique arrondis à 0,1 % des résultats obtenus sur chaque éprouvette.
3.3.1.2. Détermination de la rétractibilité totale (NF B51-006) 3.3.1.2.1. Le retrait
3.3.1.2.1.1. But
Cet essai a pour but de déterminer le retrait volumique total, le retrait total dans les sens radial et tangentiel du bois.
3.3.1.2.1.2. Principe
Détermination des variations de volume d’une éprouvette ayant une humidité égale ou supérieure au point de saturation des parois cellulaires et ramenée à anhydre.
3.3.1.2.1.3. Appareillage
Une balance précise à 0,01 g ;
un voluménomètre à mercure permettant de déterminer le volume à 0,003 cm3 près ;
une étuve ventilée ;
un dessiccateur ;
un pied à coulisse.
Photo 3.3 : Pied à coulisse utilisé pour les essais sur les bois 3.3.1.2.1.4. Mode opératoire
Les éprouvettes sont constituées par des cubes de 20 mm de côté.
Au départ, l’humidité des éprouvettes doit dépasser le point de saturation. Nos éprouvettes étaient à une humidité inférieure au point de saturation. Elles ont donc été plongées dans l’eau pendant une longue période jusqu’à atteindre le point de saturation. Le volume saturé
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VS de chaque éprouvette est ensuite déterminé selon le principe d’Archimède et les dimensions de chaque éprouvette dans le sens radial LRs et dans le sens tangentiel LTs sont déterminées à l’aide du pied à coulisse avant leur transfert dans l’étuve à 103C2C pour séchage jusqu’à masse constante.
La masse anhydre m0 de chaque éprouvette est alors mesurée et leurs dimensions LR0
et LT0 sont déterminer au moyen du pied à coulisse (photo 3.3). Immédiatement après pesée de chaque éprouvette anhydre, leur volume V0 est déterminé à partir de leurs dimensions car nous ne disposons pas de voluménomètre.
Photo 3.4 Eprouvettes de la rétractibilité totale 3.3.1.2.1.5. Calcul et expression des résultats
Le retrait volumique total RV de chaque éprouvette est calculée à l’aide de la formule suivante :
0 100
S V
S
V V
R V
(3.2)
Et le coefficient de retrait volumique rV de chaque éprouvette est calculée à l’aide de la formule suivante :
0 100
S V
S S
V V
r V H
(3.3)
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Mahutin Anicet HOUNSA où :
VS est le volume, en centimètres cubes ,de l’éprouvette saturée,
V0 est le volume, en centimètres cubes, de l’éprouvette anhydre,
HS est l’humidité, en pourcentage, correspondant au point de saturation.
Le retrait radial total RR et le retrait tangentiel total RT de chaque éprouvette sont calculés à l’aide des formules suivantes :
0 100 0 100
Et, le coefficient du retrait radial rr et le coefficient du retrait tangentiel rt de chaque éprouvette sont calculés à l’aide des formules suivantes :
0 100 0 100 respectivement dans le sens radial et dans le sens tangentiel,
0 et 0
R T
L L sont les dimensions, en millimètres, de l’éprouvette à l’état anhydre respectivement dans le sens radial et dans le sens tangentiel,
HS est l’humidité, en pourcentage, correspondant au point de saturation.
L’humidité correspondant au point de saturation peut être obtenue en traçant la courbe de retrait par rapport à l’humidité. À défaut, adopter pour HS la valeur moyenne de 30 %.
Les retraits totaux sont exprimés en pourcentage à 0,1 % près et les coefficients de retrait à 0,01% près.
3.3.1.2.2. Le gonflement
Au lieu de calculer les valeurs des différents retraits ou coefficients de retrait en rapportant les mesures à la dimension de l’éprouvette à l’état saturé, on peut rechercher les caractéristiques de gonflement qui sont obtenues en rapportant les mêmes dimensions à celles de l’éprouvette à l’état anhydre.
Le gonflement volumique total GV est directement calculable à partir du retrait volumique total RV à l’aide de la formule suivante :
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formule devient respectivement :100 100
R R sont respectivement le retrait total dans le sens radial et le retrait total dans le sens tangentiel.
Le coefficient de gonflement volumique gV est donné à partir du coefficient de retrait volumique rV par la formule suivante :
r r sont les coefficients de retrait radial et tangentiel,
Hs est l’humidité, en pourcentage, correspondant au point de saturation.
Les retraits totaux sont exprimés en pourcentage à 0,1 % près et les coefficients de retrait à 0,01% près.
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3.3.1.3. Absorption d’eau 3.3.1.3.1. But
Cet essai permet de suivre l’évolution de la capacité du bois à absorber l’eau en fonction du temps.
3.3.1.3.2. Principe
Détermination par intervalle de temps donné, du taux d’absorption d’eau des éprouvettes de bois immergées dans l’eau.
3.3.1.3.3. Appareillage
Une balance précise à 0,01 g ;
une étuve ventilée ;
des béchers;
un dessiccateur.
3.3.1.3.4. Mode opératoire
Les éprouvettes sont constituées par des cubes de 20 mm de côté.
Au départ, les éprouvettes doivent être à l’état anhydre. Nos éprouvettes sont donc placées à l’étuve à 103 C 2 C pour être séchées jusqu’à masse constante.
La masse anhydre m0 de chaque éprouvette est alors mesurée avant leur immersion dans l’eau. Par intervalle de temps
t
, les éprouvettes sont sorties de l’eau, nettoyées puis pesées.Soit mt cette masse. Cet essai continue jusqu’à ce que les éprouvettes atteignent leur point de saturation.
Note : Bois saturé : les cellules ne contiennent plus d’eau libre, mais leurs parois sont saturées. On dit qu’on a atteint le point de saturation de la fibre.
Au-dessus de ce point de saturation, le volume est maximal et ne se modifie plus ; les résistances mécaniques ne varient plus et sont minimales. Si on descend au-dessous du point de saturation, le volume diminue et les résistances mécaniques statiques augmentent (NF B 51-002).
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Photo 3.5 : Eprouvettes d’absorption d’eau
Photo 3.6 : Prise de la masse d’une éprouvette 3.3.1.3.5. Calcul et expression des résultats Le taux d’absorption après un temps t est donné par la relation :
00
% t 100
t
m m
T m
(3.12)
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Mahutin Anicet HOUNSA où :
mt est la masse, en gramme, de l’éprouvette après un séjour de temps t dans l’eau,
m0 est la masse, en gramme, de l’éprouvette anhydre.
3.3.1.4. Détermination de la masse volumique (NF B51-005) 3.3.1.4.1. But
Cet essai a pour but de déterminer la masse volumique du bois en vue des essais physiques et mécaniques.
3.3.1.4.2. Principe
Détermination de la masse par unité de volume d’une éprouvette ou du lot d’éprouvettes.
3.3.1.4.3. Appareillage
Une balance précise à 0,01 g ;
un voluménomètre à mercure permettant de déterminer le volume à 0,003 cm3 près ;
une étuve ventilée ;
un dessiccateur ;
un pied à coulisse.
3.3.1.4.4. Méthode
3.3.1.4.4.1. Préparation des échantillons
Les éprouvettes sont constituées par des cubes de 20 mm de coté.
Prélever 2 séries d’éprouvettes.
La première série est utilisée pour la détermination de la masse volumique mVH
correspondant à l’humidité au moment de l’essai ou après conditionnement.
La seconde série est réservée à la détermination de la masse volumique basale
m
VB et de la masse volumique anhydrem
V0.3.3.1.4.4.2. Mode opératoire
Pour la détermination de la masse volumique mVH, chacune des éprouvettes est pesée à 0,01 g près. Leur volume est déterminé à partir de leurs dimensions car nous ne disposons pas de voluménomètre.
L’humidité de chaque éprouvette est ensuite déterminée selon NF B 51-004.
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Mahutin Anicet HOUNSA
Les éprouvettes sont immergées dans l’eau pendant une longue période (30 jours) jusqu’à atteindre le point de saturation. Le volume saturé VS de chaque éprouvette est ensuite déterminé selon le principe d’Archimède avant leur transfert dans l’étuve à 103C2C pour séchage jusqu’à masse constante. La masse anhydre m0 de chaque éprouvette est alors mesurée.
Immédiatement après pesée de chaque éprouvette anhydre, leur volume V0 est déterminé à partir de leurs dimensions car nous ne disposons pas de voluménomètre.
3.3.1.4.5. Calcul et expression des résultats
La masse volumique mVH correspondant à l’humidité au moment de l’essai pour
La masse volumique mVH correspondant à l’humidité au moment de l’essai pour