Mécanismes de résistance au cisaillement

La compréhension des caractéristiques des différents modes de transmission de l’effort de cisaillement agissant dans le béton fissuré est un élément clé pour l’étude des ruptures au cisaillement d’éléments en béton armé. Suite à la fissuration des éléments, plusieurs modes de transmission du cisaillement doivent s’activer afin de garantir la transmission des charges aux appuis. La résistance au cisaillement des dalles et poutres en béton armé est donc assuré par ces mécanismes ou modes de transmission de charges. Les principaux mécanismes de résistance sont les suivants ASCE–ACI Committee 445, 1998 [32]:

 La résistance au cisaillement du béton non fissuré Vcz représentant la capacité du béton dans la zone de compression.

 La résistance au cisaillement liée aux contraintes de traction résiduelle sur la fissure de cisaillement Vct.

 L’imbrication mécanique des agrégats le long de la fissure Va

 L’effet de goujon joué par l’armature longitudinale Vd

 La contribution de l’armature de cisaillement si présente Vs

 L’action d’arche (transmission de la charge par bielle de compression)

Un aperçu des mécanismes de transfert de cisaillement est montré sur la Figure 2.13. La figure décrit schématiquement la contribution de chacune des composantes excepté celui de l’action d’arche qui ne peut être considéré comme faisant partie des mécanismes proprement dit. Elle dépend de la configuration de chargement et apparait généralement pour des éléments profonds de ratio a/d<2.5.

Figure 2.13 : Contribution des différents mécanismes de résistance au cisaillement

V

V

T V

V

V

V

C V

V

2.1.2.1 La capacité du béton dans la zone de compression V

(capacité du béton non fissuré).

La résistance Vcz est la seule composante activée avant fissuration de la section et représente la capacité du béton dans la zone de compression. Elle a longtemps été perçue comme le principal mécanisme de résistance au cisaillement Baker et al. 1969 [33], Kani et al. 1979 [34]. Les paramètres qui déterminent cette capacité sont l’épaisseur et la largeur de la zone de compression ainsi que la résistance à la compression du béton Taylor, 1974 [35]. La capacité en cisaillement de la zone de compression du béton peut être déterminée en intégrant les contraintes de cisaillement sur l’épaisseur de la zone Reineck, 1991 [36]. Des études récentes tendent à démontrer que moins de la moitié de la résistance au cisaillement provient de ce mécanisme. Les efforts tranchants sont transférés du côté de l’axe neutre où le béton est comprimé par combinaison d’un champ de compression et d’un champ de tension orientés perpendiculairement Kuchma et Collins, 1998 [37].La contribution de la capacité de la zone de compression du béton à la capacité totale en cisaillement est estimée entre 20% Fenwick et Paulay, 1968 [38] et 40% Kani et al. 1979 [34].

2.1.2.2 Les contraintes de traction résiduelle sur la fissure V

Etant donné qu’une fissure dans le béton n'est pas une «rupture nette» et que de petits morceaux de béton relient la fissure, la traction résiduelle sur la fissure contribue également à la reprise d’efforts de cisaillement Lantsoght et al. 2015 [22]. Dans les approches de la mécanique de la rupture pour la détermination de la capacité en cisaillement, ces contraintes de traction résiduelle sont considérées comme le mécanisme primaire de transfert du cisaillement ASCE–ACI Committee 445, 1998 [32]. La traction résiduelle est étudiée dans la zone dans laquelle la déformation maximale en traction est dépassée. Cette région est qualifiée de zone d'adoucissement en traction Pruijssers, 1986 [39] et est composée de béton entrecoupé par des microfissures.

2.1.2.3 L’imbrication mécanique des agrégats V

A l’apparition des fissures, l’action de la composante Va liée à l’engrènement des granulats est amorcée. Le frottement entre les deux lèvres d’une fissure permet la transmission des efforts de cisaillement de part et d’autre de celle-ci. En effet, les particules de granulats sur les faces des fissures s’imbriquent et résistent aux déplacements de

cisaillement Walraven, 1980, 1981 [40] [41] a développé un modèle d’imbrication des granulats qui relie la contrainte de cisaillement et la contrainte normale à l’ouverture de la fissure, au déplacement de cisaillement. L’intensité du frottement est influencée par la rugosité des lèvres de la fissure, par sa forme et par son ouverture. En particulier, une capacité inférieure de transmission des efforts de cisaillement sera observée avec l’augmentation de l’ouverture de la fissure ou avec la diminution de sa rugosité. Les principaux facteurs qui influent sur la capacité d’imbrication des granulats sont: la microstructure du béton, l'énergie de rupture du béton Ghazavy-Khorasgany et Gopalaratnam, 1993 [42], la taille des granulats Sherwood et al. 2007 [43] et le type de granulat Regan et al. 2005 [44]. Avec des granulats de calcaire et d'argile, cela conduira à de faibles capacités d’imbrication, la rugosité des lèvres d’une fissure étant réduite. Longtemps négligé comme mécanisme de résistance au cisaillement, on sait maintenant que la contribution de l’engrènement des granulats sur la capacité au cisaillement dans les poutres est estimée entre 33% Taylor, 1974 [35] et 70%

Sherwood et al. 2007 [43].

Figure 2.14 :Imbrication mécanique des agrégats

2.1.2.4 L’effet de goujon des armatures flexionnelles V

L'action de goujon est la résistance d'une armature de renforcement, traversant une fissure lors d’un déplacement de cisaillement Walraven, 1980 [40]. L’effet de goujon entre donc en action lorsqu’un déplacement se produit le long de la fissure de cisaillement. Les barres sont alors cisaillées ce qui contribue à la résistance aux efforts de cisaillement.

L’intensité de l’effet de goujon dépend de la quantité des armatures longitudinales, leur diamètre, leur espacement, ainsi que leur rigidité au cisaillement. Les caractéristiques de la liaison acier/béton, la rigidité du béton d’enrobage ainsi que sa résistance en traction jouent également un rôle important Taylor, 1974 [35], Lubell, 2006 [16], Ince et al. 2007 [45].

V

Va

V_ay

Fissure de cisaillement Vax

engrènement des granulats

L'action de goujon dans les dalles pourrait être moins importante que dans les poutres car la fissure de cisaillement ne s'ouvre pas sur toute la largeur de l'élément, en raison également de la continuité fournie par les armatures dans les deux directions, de sorte que le goujon ne sera pas activée autant que dans une poutre étroite rompant en cisaillement Cope, 1985 [46]. La contribution de l'action de goujon sur la capacité au cisaillement des éléments en béton est estimée entre 15% Taylor, 1974 [35] et 30% pour le poinçonnement dans les dalles Long, 1975 [47].

Figure 2.15 :Effet de goujon des armatures flexionnelles

2.1.2.5 L’action d’arche par bielle de compression

L’effort de cisaillement peut être transmis directement vers les appuis par la formation d’une arche de compression: on parle d’action d’arche (ou bielle de compression quand elle a une forme droite) (Figure 2.16). Ce mécanisme est le plus souvent fréquent lorsque les charges sont proches du support (éléments profonds, ratio a/d<2.5) Kani, 1964 [48], Kuchma et Collins, 1998 [37] et conduit à une capacité au cisaillement accrue bien au-delà de la charge de fissuration inclinée Kim et al. 1999 [49].

Les paramètres influençant l'action d'arche sont: l’agencement des armatures, les armatures en couches conduisant à une plus petite épaisseur pour l'action d’arche, l’ancrage des tirants Ghazavy-Khorasgany et Gopalaratnam, 1993 [42], Rafla, 1971 [50], le type de renforcement, l’utilisation des barres simples facilitent l'action d’arche comparé à des barres nervurées Reineck, 1991 [36]. Etant donné que l’effet d’arche est régi par la géométrie de la configuration de chargement et entraîne une capacité de cisaillement bien au-delà de la charge de fissuration inclinée, aucune proportion de sa contribution sur la capacité au cisaillement ne peut être donnée.

V_d u

Effet de goujon de l'armature longitudinale

V_d

V_d T

M_d

L M_d

V

Figure 2.16 : Effet d’arche (bielle de compression)

2.1.2.6 La contribution de l’armature de cisaillement

Dans les poutres et dalles soumises à des sollicitations de cisaillement, l’action de tous les modes de transmission du cisaillement abordés précédemment peut être renforcée par la présence d’armatures de cisaillement. Leur rôle principal est d’augmenter la résistance au cisaillement. L’activation des armatures de cisaillement est essentiellement due à la formation de fissures inclinées qui les traversent. Ces armatures contribuent à la résistance au cisaillement de plusieurs façons Massicote, 2009 [31]:

 Elles Participent à la reprise d’un effort de traction vertical en ajoutant une contribution Vs.

 Elles réduisent l’ouverture des fissures, ce qui permet d’avoir un meilleur engrènement des granulats.

 Elles soutiennent les armatures longitudinales ce qui améliore l’effet de goujon. En effet, en l’absence d’armature de cisaillement, la force induite dans l’armature longitudinale augmente. Le cheminement des efforts en présence d’armatures de cisaillement peut s’apparenter à celui d’un treillis.

 Elles aident au confinement du béton ce qui améliore sa résistance.

 Elles améliorent la ductilité. Dans le cas d’une ouverture importante de la fissure diagonale, la diminution de la capacité de transmission de l’effort de cisaillement par imbrication des granulats peut être atténuée par l’action directe des étriers. Ce qui permet d’éviter ainsi une perte soudaine de la résistance de la structure.

Plusieurs recherches ont été effectuées pour quantifier la contribution des renforts de cisaillement sur le comportement au cisaillement des éléments en béton armé. Ces études montrent clairement les principales contributions du renforcement de cisaillement établi par

C

V

Action d'arche (bielle de compression)

Charge

Tirant

T

Massicote, 2009 [31]. Les premières recherches sur l'effet des renforts de cisaillement se trouvent dans les observations faites par Hawkins, 1974 [51] sur le comportement au cisaillement des dalles. Les résultats des tests indiquent que l'armature de cisaillement augmente la résistance au cisaillement des dalles. Plus tard, plusieurs autres chercheurs ont également abouti la même conclusion Chana et Desai, 1992 [52], Gomes et Regan, 1999 [53], Oliveira et al. 2000 [54], Regan et Samadian, 2001 [55], Ruiz et Muttoni, 2009 [56], Vollum et al. 2010 [57], Trautwein et al. 2011 [58], Carvalho et al. 2011 [59]. Plus récemment, les tests menés par Lips et al. 2012 [60], Lubell et al. 2009 [61] et la dissertation écrite par Campana, 2013 [62] ont largement contribué à montrer l'amélioration de la ductilité fournie par les renforts de cisaillement.

Figure 2.17 :Contribution de l’armature de cisaillement