1.4.1 Modèles analytiques
Étant donné que les poteaux composites partiellement enrobés de béton avaient déjà fait l’objet de plusieurs analyses par éléments finis, une approche analytique a été adoptée pour ce programme de recherche afin de comparer les trois types de résultats, i.e. expérimentaux, analytiques et éléments finis. Cette approche différente permettait également de vérifier s’il est possible de mieux cerner les limites des approches par éléments finis. De plus, le modèle analytique a permis de réaliser facilement une étude paramétrique sur des poteaux complets.
Les modèles analytiques ont été effectués à l’aide d’un logiciel de calculs mis au point avec un langage de programmation VisualBasic et d’un chiffrier Excel. À la différence des logiciels d’analyse par éléments finis, ce programme permet d’obtenir des résultats plus rapidement car seules quelques caractéristiques des poteaux sont à spécifier et les résultats sont disponibles après quelques minutes de compilation. Aucune modification au logiciel n’est requise avant de procéder à une analyse.
Parmi les différents paramètres qui peuvent être pris en charge par le modèle analytique, il y a : - Chargement en compression-flexion suivant l’axe fort ou l’axe faible;
- 3 types de chargements en compression-flexion possibles : charge axiale appliquée avec une excentricité, charge axiale avec deux charges transversales centrées, charge axiale avec deux moments d’extrémité. Pour les deux derniers cas de chargement, l’utilisateur
doit spécifier lequel des efforts varie au cours du chargement du poteau-poutre. De plus, en utilisant une excentricité minimale, le chargement en compression pure peut être réalisé;
- Analyse de poteaux composites ou de poteaux de béton ou de poteaux d’acier; - Ajout d’acier d’armature;
- Utilisation de béton normal ou de béton haute performance, avec ou sans fibres métalliques;
- Résistance du béton en traction;
- Écrouissage de l’acier du profilé (et/ou des barres d’armature, le cas échéant); - Contraintes dans les matériaux en fonction du déchargement des matériaux; - Contraintes résiduelles dans l’acier du profilé;
- Élancement des poteaux;
- Stabilité des poteaux, effets « P-δ »;
- Voilement local des ailes du profilé d’acier en fonction de l’espacement des tirants et des imperfections initiales;
- Possibilité d’augmenter la précision des résultats en modifiant les critères de convergence.
Des modèles analytiques ont été réalisés d’abord sur des poteaux composites précédemment étudiés afin de reproduire le comportement entier des poteaux et valider le modèle analytique. Une analyse paramétrique a également été effectuée afin de quantifier l’effet des différents paramètres à l’étude.
Une fois que les modèles ont été calibrés, de nouveaux modèles ont été réalisés pour simuler les essais expérimentaux qui ont été effectués au cours du présent programme de recherche.
Étant donné que le comportement tridimensionnel des matériaux n’est pas inclus dans le modèle analytique, l’effet de l’interaction acier-béton n’est pas considéré. Des analyses comparatives entre les résultats numériques (Begum, 2007) et analytiques sur des spécimens identiques ont permis d’évaluer approximativement l’effet de l’interaction acier-béton.
À partir des résultats des essais expérimentaux et des modèles analytiques, des équations de conception seront modifiées et/ou développées pour tenir compte des effets des chargements en compression-flexion aussi bien que des différents types de béton.
1.4.2 Programme expérimental
Dans le but de compléter les essais expérimentaux et de valider certains résultats au sujet des poteaux composites partiellement enrobés de béton, un programme de recherche expérimentale a été mis sur pied. La taille des spécimens a été maximisée en fonction de la capacité de la presse d’essais disponible (12 MN) tout en essayant de se rapprocher le plus possible des dimensions des poteaux qui ont déjà été testés précédemment afin de ne pas introduire de facteurs d’échelle et de pouvoir établir des comparaisons les plus directes possible.
Le programme d’essais est présenté au Tableau 1-1. Un total de 16 essais ont été effectués dans l'étude expérimentale. De ce nombre, 2 spécimens ont été soumis uniquement à des efforts axiaux et 14 ont subi des combinaisons de charges de type « compression-flexion » afin de simuler des chargements excentriques sur les poteaux. Ce deuxième type de chargement cause la fissuration du béton et, ainsi, affecte la capacité axiale des poteaux. En plus de l’évaluation de la capacité axiale des poteaux, la ductilité est également un paramètre important à évaluer.
De plus, les essais expérimentaux ont étudié les effets de l’utilisation de bétons de haute performance pour 4 spécimens (béton 60, pour béton de 60 MPa nominal dans le Tableau 1-1) et de bétons renforcés de fibres métalliques pour 9 spécimens (bétons 30F et 60F, pour bétons de 30 et 60 MPa nominal avec fibres métalliques dans le Tableau 1-1) sur le comportement des poteaux composites.
Tableau 1-1 Distribution et identification des poteaux composites du programme de recherche expérimentale
BÉTON NORMAL - 30 MPa BÉTON HAUTE PERFORMANCE - 60 MPa
30 30F 60 60F
--- Fibres 1,0% --- Fibres 1,0%
Pr N-C NF-C Pr --- ---
0,85 Pr
Axe Faible N-1 NF-1 0,85 Pr Axe Fort H-1 HF-1
Cyc. + 0,85 Pr
Axe Faible N-1cyc NF-1cyc Cyc. + 0,85 Pr Axe Fort H-1cyc HF-1cyc
0,55 Pr
Axe Faible --- NF-2 0,55 Pr Axe Faible H-2 HF-2
Cyc. + 0,55 Pr
Axe Faible --- NF-2cyc Cyc. + 0,55 Pr Axe Faible H-2cyc HF-2cyc
Types de béton Types de béton
Dans le Tableau 1-1, la première lettre du code d’identification des poteaux indique si le poteau est fait de béton normal « N » ou de béton de haute résistance « H ». Le cas échéant, si cette lettre est suivie d’un « F », cela indique que le béton du poteau possède une teneur en fibres métalliques de 1.0 %.
Après le premier tiret, la lettre « C » indique que le poteau est testé en Compression pure. Le chiffre « 1 » signifie que le poteau est testé en compression-flexion selon « 0.85 Pr ». Le chiffre « 2 » signifie que le poteau composite est testé en compression-flexion selon « 0.55 Pr ». Les lettres « cyc » signifient que le poteau composite est d’abord chargé en compression-flexion de façon cyclique, pour ensuite poursuivre le chargement jusqu’à la rupture en compression-flexion selon l’axe et l’excentricité spécifiés.
Les 16 poteaux composites partiellement enrobés de béton ont une section transversale de 400x400 et sont faits de plaques d’acier de 7.94 mm d’épaisseur. La hauteur des poteaux est de 2000 mm et les propriétés nominales des matériaux constituants de ces poteaux composites sont :
- 30 MPa nominal pour la résistance à la compression du béton normal;
- 60 MPa nominal pour la résistance à la compression du béton haute performance; - 350 MPa nominal pour la limite élastique de l’acier.