Milieu de mesure considéré

La présente étude se voulant globale et axée autour de l’instrumentation par capteurs à fibre optique de certains types d’ouvrages en béton de Génie Civil (cf. 1.3), il est important de particulariser plus en détails le milieu de mesure considéré.

2.1.2.1 Type de béton

Les capteurs à fibre optique de type extensométrique considérés, sont destinés au mesu- rage de déformation du béton, dont sont majoritairement constitués les ouvrages ciblés. Le terme béton des ouvrages peut désigner en réalité, du béton non armé, du béton armé, du bé- ton précontraint ou d’autres types de bétons (ex. : béton de fibres métalliques, béton de pou-

dres réactives BPR [RICHARD et CHEYREZY, 1995]). Pour les ouvrages considérés il s’agit

principalement de béton armé et de béton précontraint. Ces différents bétons sont particuliè- rement complexes et évolutifs. Ils subissent de profondes transformations physico-chimiques et structurales dans les instants qui suivent leur préparation (ex. : réactions d’hydratation des constituants du béton conduisant aux processus de prise et de durcissement) et ces transfor- mations se poursuivent tout au long de leur vie, avec toutefois une cinétique décroissante au cours du temps (il est alors question de vieillissement ou de maturation des matériaux) [BAROGHEL-BOUNY, 1994].

Le béton choisi est un béton classique, utilisé couramment dans certains des ouvrages considérés (ex. : ponts). C’est un béton dit ordinaire BO, avec une résistance en compression

Rc qui est de l’ordre de 40MPa à 28 jours. La présente étude, essentiellement mécanique et

s’inscrivant dans le cadre de l’extensométrie, peut néanmoins s’appliquer à d’autres bétons ayant des résistances mécaniques plus ou moins grandes (ex. : 80MPa pour un béton à hautes

performances). Le comportement du béton au jeune âge étant complexe [LAPLANTE, 1993], et

le principal besoin de l’instrumentation à fibre optique considérée étant dans le long terme, le

béton étudié est un béton mature (âge du béton supérieur à 28 jours). Le mesurage des dé-

formations du béton pendant les premières heures de sa vie n’implique pas les mêmes diffi- cultés que pour un béton durci [BOULAY et PATIES, 1993].

2.1.2.2 Structures en béton

En toute rigueur, les matériaux réels sont toujours discontinus, hétérogènes et aniso- trope, à une ou plusieurs échelles d’observation comprises entre celle de l’observation ma- croscopique et celle des atomes (ex. : matériaux granulaires, poreux ou polycristallins). Du fait de leur rôle, les lois de comportement doivent refléter et subir les conséquences de ces discontinuités et de ces hétérogénéités. Ceci est en totale opposition avec la notion même de continuité du milieu sur laquelle se trouvent fondées, non seulement la définition de ces lois,

mais également les notions de contraintes et de déformations [BOUCHER, 1987]. L’hypothèse

d’équivalence faite entre un matériau et un milieu continu est donc d’une utilité irremplaçable dans l’étude des problèmes courants, principalement par l’économie des moyens intellectuels qu’elle permet de réaliser. A l’échelle macroscopique, les matériaux usuels sont suffisamment continus, homogènes et isotropes. Des réserves sont cependant parfois nécessaires pour cer- tains matériaux que ce soit pour l’homogénéité (ex. : composites comme les plastiques) ou que ce soit pour l’isotropie (ex. : métaux en feuilles laminées présentant une texture cristallo- graphique). C’est le cas du béton du fait de sa composition [NF P 18-325, 1991] (cf. Figure 2.2) et des différents types de béton existants. Si un certain degré d’homogénéité ainsi que d’isotropie peut être attribué aux liants hydrauliques, il est plus difficile de l’affirmer pour les

granulats1, disposés au sein du béton de façon aléatoire avec une répartition plus ou moins orientée par les méthodologies de mise en œuvre. En ce qui concerne le béton armé, les ar- matures rendent le matériau plus hétérogène et anisotrope. Pour le béton précontraint, la force de précontrainte est assimilée à des forces extérieures au béton, mais la précontrainte impose une disposition d’armatures encore plus particulière au sein du béton armé.

Figure 2.2 Composition du béton

Les structures en béton étudiées sont des éprouvettes cylindriques normalisées [NF P 18-400, 1981]. Ces structures simples permettent un contrôle plus facile des actions qui leur sont appliquées et sont plus aisées de mise en œuvre au contraire des ouvrages réels massifs. De plus, les contraintes expérimentales de la présente étude ont imposé l’utilisation de telles structures. D’après la norme NF P 18-400 (1981) ces éprouvettes cylindriques ont au moins une hauteur égale à deux fois leur diamètre, elles sont dites d’élancement deux. Cela permet d’obtenir un état de compression simple (si l’éprouvette est sollicitée en compression suivant son axe) au centre de l’éprouvette, non entaché par les effets de bords dus essentiellement aux contacts aux appuis. A l’échelle des éprouvettes normalisées prises en compte dans la pré- sente étude, le béton peut être considéré comme continu, homogène et isotrope. Afin de res- pecter ces hypothèses, le béton des éprouvettes ne comporte ni d’armatures ni de pré-

contrainte. Il convient de ne pas oublier qu’il s’agit d’un milieu équivalent au milieu réel, et

qu’en conséquence les grandeurs mécaniques définies sur ce milieu équivalent, n’ont pour le milieu matériel qu’un sens statistique.

2.1.2.3 Comportement et chargement

Lors du durcissement du béton, une opposition à la contraction entraîne automatique- ment une fissuration, qui dépend du compromis (suivant la nature du ciment) entre la vitesse du retrait et la vitesse d’accroissement de la résistance à la traction [PRAT et al., 1995]. Alors

qu’une structure en béton armé fonctionne normalement à l’état fissuré, la fissuration des structures, ou éléments de structure, en béton précontraint est normalement considérée comme suspecte [BASTET et RIMBŒUF, 1986]. La fissuration du béton est un des facteurs induisant les

1 _{Granulat : Ensemble de grains minéraux de dimensions comprises entre 0 et 80mm destinés notamment à la}

confection des mortiers, des bétons, des couches de fondation, de base et de roulement des chaussées, et de voies ferrées. [NF P 18-101, 1983] dosage + malaxage ciment eau de gâchage granulats : sable + gravillon : constituants des bétons traditionnels

(ex. : pouzzolanes naturelles, métakaolins, fumées de silice)

additions adjuvants

(ex. : accélérateur de prise et de durcissement, réduc- teur d’eau, hydrofuges)

non-linéarités du comportement des bétons. Cependant, sous des sollicitations courantes de courte durée (ex. : charges de service), le béton durci est généralement considéré comme un matériau élastique linéaire [ACKER et al., 1986]. C’est le cas par exemple pour des charge-

ments en compression ne dépassant pas 50 à 60% de la résistance à la rupture en compression [ADAM et al., 1984]. En traction le comportement est plus linéaire, mais la rupture apparaît

plus tôt qu’en compression, les résistances en traction des bétons étant 10 à 15 fois plus faibles que celles en compression.

Afin de rester dans le cadre d’une étude globale considérant plusieurs types de béton, et de respecter l’hypothèse de milieu continu, le béton des éprouvettes est supposé dans un état

non fissuré et ayant un comportement élastique linéaire. Par conséquence, l’étude reste dans

les limites élastiques1 du béton (σe : limite élastique en contraintes). Les éprouvettes sont uni-

quement sollicitées en compression suivant leur axe, avec des valeurs maximums de 60% de

la résistance à la rupture en compression. Les dispositifs de traction courants [NF P 18-409, 1969] étant sources de mises en œuvre complexes et n’étant pas forcément compatibles avec les moyens d’essais utilisés, le chargement en traction des éprouvettes n’a pas été envisagé. De plus des chargements en compression permettent d’avoir une plus grande plage de défor- mations en élasticité linéaire. Seuls les chargements en statique sont pris en compte, les pro- blèmes de mécanique dynamique des ouvrages de Génie Civil considérés ne sont pas étudiés. Le béton étant supposé non fissuré et de comportement élastique linéaire, l’hypothèse des

déformations infiniment petites peut alors être faite.