Mécanismes de résistance au cisaillement

La résistance au cisaillement des poutres en béton armé fait intervenir divers mécanismes qui agissent seule ou en concomitance, le tout en fonction de l’état d’avancement de la

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Dans le texte, les termes cisaillement et effort tranchants sont utilisés indifféremment pour représenter un effort (kN).

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fissuration. On reconnait généralement 4 mécanismes principaux en lien avec la résistance à l’effort tranchant (Figure 3-11):

- Composante de force verticale dans les barres d’armature longitudinale due à un effet de goujon [Vd] (Section 3.8.1.1);

- La résistance au cisaillement du béton non fissuré [Vcy] (Section 3.8.1.2);

- L’engrènement des granulats [Va] (Section 3.8.1.3);

- L’armature de résistance à l’effort tranchant [Vs] (Section 3.8.1.4).

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Figure 3-11 : Mécanismes de résistance à l'effort tranchant (tiré de Wight - 2012).

Ces différents mécanismes sont présentés en détail dans les prochaines sous-sections.

3.8.1.1 Effet goujon

L’effet goujon des barres d’armatures longitudinales se produit lorsqu’il y a un déplacement relatif (au droit d’une fissure) entre deux surfaces traversées par une barre d’armature (Figure 3-12). Ce déplacement, principalement perpendiculaire aux barres d’armature, tend à les déformer transversalement, créant ainsi une force de retenue qui s’oppose au cisaillement. Ce mécanisme est influencé par différents paramètres, tels que la rigidité des barres ainsi que leurs propriétés mécaniques (diamètre et limite élastique), leur quantité, la qualité et la résistance du béton qui enveloppe les barres, la taille de la fissure et le glissement de celle-ci.

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Figure 3-12 : Effet goujon (tiré de Nogueira - 2013).

3.8.1.2 Résistance du béton non fissuré

Lorsqu’une poutre en béton armé se fissure sous un chargement donné, la section supérieure de la poutre reste non fissurée étant donné les contraintes de compression élevées. Cette section de béton non fissuré fut longtemps reconnue comme étant le seul mécanisme de résistance au cisaillement. Aujourd’hui, on reconnaît que la résistance du béton non fissuré contribue généralement pour moins de la moitié de la résistance totale au cisaillement d’une poutre en béton. Les efforts tranchants localisés dans la zone en compression de la section de béton sont une combinaison de champs de compression et de tension perpendiculaires l’un par rapport à l’autre (Kuchma et Collins, 1998).

3.8.1.3 Engrènement des granulats

Le mécanisme d’engrènement des granulats est un concept qui fait intervenir la friction entre deux (2) plans. En effet, lorsqu’une poutre est soumise à des contraintes de flexion- cisaillement provenant d’un chargement, une fissure se crée au droit de la zone tendue. La présence de granulats, de part et d’autre de la fissure, permet de créer de la friction entre les deux (2) plans en question. Cela permet ainsi de retransmettre des efforts importants à travers cette discontinuité, tel que montré à la Figure 3-13. La quantité d’effort qu’il est possible de transmettre peut se calculer à l’aide de l’Équation 3.1 (Collins et al., 1996 ; Collins et al., 2008). L’équation fait intervenir trois (3) paramètres qui sont les suivants :

- la résistance à la traction du béton (f’t)

- l’ouverture de la fissure (w) - la grosseur des granulats (ag).

3.1

La résistance à la traction, ainsi que le calibre des granulats, sont habituellement connues lors de la conception d’un ouvrage ou lors de son évaluation. L’ouverture de la fissure est toutefois un paramètre qui est variable en fonction de la géométrie de la poutre et de la contribution des différentes forces qui sont appliquées sur l’élément. La norme CAN/CSA S6-14 propose des équations permettant de trouver les efforts qu’il est possible de transmettre à travers une fissure, sans toutefois connaitre explicitement l’ouverture de celle-ci. Ces équations seront présentées à la section 3.8.3 de ce document. L’engrènement des granulats est sans aucun doute le mécanisme d’importance pour la résistance au cisaillement de poutres en béton armé sans étrier. Il est responsable pour environ 70% de la résistance de ces éléments (Sherwood, Bentz, et Collins, 2007).

Ce mécanisme est cependant influencé par la mécanique de la rupture lors de la fissuration de l’élément. En effet, lorsqu’un béton standard est utilisé, la fissure se développe dans la zone de faiblesse, soit la zone interfaciale de transition (ITZ) se trouvant en périphérie des particules de granulats (Figure 3-13A). Si un béton haute performance est utilisé (f’c ≥ 50 MPa), il devient énergétiquement moins exigeant pour la

fissure de fracturer le granulat plutôt que de le contourner (Figure 3-13B). Dans cette situation, la rugosité apportée par le granulat fissuré est largement inférieure à celle d’un granulat intact. La qualité des granulats tout comme la qualité de la pâte de ciment sont des paramètres très importants pour caractériser l’engrènement des granulats.

A) B)

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Figure 3-13 : Engrènement des granulats pour un béton standard (A) ainsi que pour un béton haute performance (B) (Tiré et modifié de Ince, Yalcin, et Arslan, 2007).

3.8.1.4 Armatures transversales

La présence d’armature transversale, appelée étriers, permet de reprendre une portion importante des efforts de cisaillement et de les transmettre au béton qui, à son tour, les transmet à un autre étrier sous forme de bielle de compression. La présence de barres d’armature transversale apporte de nombreux avantages comme : une rupture plus ductile, un meilleur confinement des barres d’armature longitudinales ainsi qu’une meilleure propagation des fissures de cisaillement. Ce mécanisme est influencé par le diamètre des étriers, leur espacement ainsi que par leur type d’ancrage. La Figure 3-14 présente les différents types d’ancrage pour des étriers conventionnels.

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Figure 3-14 : Différents types d’ancrage pour les étriers.