Résistance à la traction

La résistance à la traction est un facteur important dans les calculs structuraux et de stabilité des barrages, puisqu’elle influence le facteur de sécurité attribué à la stabilité ainsi que longueur de fissuration. C’est aussi une caractéristique importante dans le cas des chargements sismiques (ICOLD, 2008).

La résistance à la traction est fonction de la structure interne du béton, de la même façon que la résistance à la compression. Conséquemment, les facteurs qui influence la résistance à la traction du béton mis en place en chantier sont les mêmes que ceux décrits précédemment. De plus, étant donné qu’il est peu habituel d’évaluer la résistance à la traction aussi souvent qu’en compression, il est pertinent d’élaborer une relation entre les deux types de résistances. Il existe plusieurs méthodes pour évaluer la résistance à la traction. Chacune de ces méthodes ne fournit pas des résultats équivalents. Il est donc convenable d’élaborer sur ces différentes méthodes. Il s'agit de stipuler sur laquelle fournit les résistances les plus convenables dans le cas d’un barrage (ICOLD, 2008). Les trois tests les plus communément utilisés afin d’évaluer la résistance à la traction sont la traction directe, l’essai brésilien et le module de rupture.

Figure 4 : Test en traction : a) Test en traction directe; b) Essai brésilien; c) Module de rupture; d) Wedge splitting test

Le test en traction direct consiste à soumettre un élément en traction uniaxiale. Bien que ce test soit rudimentaire au niveau du principe de chargement, il reste le moins précis et présente plus de variabilité dans ses résultats. Cette variabilité est due entre autre à la différence dans les conditions d’entreposage et de cure suivants la mise en œuvre des spécimens. Le séchage du spécimen cause un retrait différentiel de celui-ci, c’est-à-dire que la vitesse de séchage n’est pas la même en surface qu’en profondeur, ce qui permet des déformations non équivalentes et engendre des fissurations à partir de la surface. De cette façon, le test démontre une résistance à la traction plus faible et plus variable, puisque le spécimen est déjà partiellement fissuré. De plus, la variabilité des résultats provient aussi de la difficulté à appliquer le chargement axial sans excentricité, qui cause des efforts de flexion dans le spécimen (Raphael, 1984). Les résultats de tests réalisés antécédemment démontrent une relation non linéaire de la résistance à la traction avec celle en compression (Raphael, 1984) :

𝑓_𝑡 = 1.7𝑓_𝑐2⁄3 _{en psi (1)}

L’essai brésilien engendre une séparation du cylindre de longueur L et diamètre D soumis à une charge totale P le long de l’axe de chargement, par laquelle la résistance à la traction est déduite. Celle-ci correspond à (Raphael, 1984):

𝑓_𝑡 = _𝜋𝐿𝐷2𝑃 (2)

L’essai brésilien fourni des résultats plus adéquats que les essais de traction directe et présente moins de variabilité, puisqu’il ne dépend pas des conditions d’entreposage de la même façon que le test de traction directe, la fissuration engendrée par le retrait de séchage des spécimens ne correspondant pas à la région en tension dans l’essai brésilien. La relation entre les résistances à la traction et à la compression est considérée la même que pour le test en traction directe (Raphael, 1984).

Le module de rupture consiste à amener à la rupture un spécimen de poutre, par laquelle est déduite la résistance à la traction. La résistance peut être évaluée à partir d’une dérivation de l’équation de poutre, qui considère un comportement linéaire, sur laquelle un facteur de modification est appliqué afin de considérer le comportement non linéaire de la fissuration en traction. La résistance par le test de module de rupture en tenant compte de l’inélasticité du béton est donnée par l’équation 3,

pour laquelle b et d sont les dimensions de largeur et de hauteur du spécimen, respectivement (Raphael, 1984) :

𝑓𝑡 = 0.744_𝑏𝑑𝑃𝐿2 (3)

Une relation a pu être faite entre la résistance à la traction par le module de rupture et la résistance à la compression, par laquelle (Raphael, 1984) :

𝑓𝑡 = 2.3𝑓𝑐 2

3 ⁄

en psi (4)

D’autres relations ont par ailleurs été établies entre les divers types de résistances à la traction et la résistance à la compression (ICOLD, 2008) :

Tableau 2 : Relation entre les résistances en traction et en compression (ICOLD, 2008)

Conséquemment, afin d’utiliser la résistance à la traction dans les analyses structurales de barrages, il est requis de considérer la relation la plus faible 𝑓_𝑡 = 1.7𝑓_𝑐2⁄3 (en psi) pour un chargement statique à long terme, alors que la relation 𝑓_𝑡= 2.3𝑓_𝑐2⁄3 _{(en psi), qui tient compte de la non linéarité} du processus de fissuration et rupture, doit être considérée pour les analyses à court terme (Raphael, 1984).

De plus, l’essai nommé « wedge splitting test », tel qu’illustré à la Figure 4 d), fournit un niveau supplémentaire de résultats, puisqu’il permet d’obtenir la partie adoucissante de l’historique de

déformation en traction du spécimen, et donc de déduire l’énergie de fissuration du spécimen (ICOLD, 2008).

Par ailleurs, d’autres types d’essais en traction directe ayant été développés et élaborés dans certains articles utilisent des spécimens cylindriques de béton. Lin et al. (2013) proposent des essais sur spécimens cylindriques dans lesquels une barre d’armature sectionnée au centre du spécimen est intégrée dans celui-ci. Les analyses par éléments finis effectués dans cette étude ont aussi démontré que ce type de montage expérimental engendre une contrainte de traction uniforme dans le spécimen (Lin, Cheng, Huang, et Cheng, 2013).

Figure 5 : Spécimen cylindrique avec barre d’armature sectionnée intégrée (Lin, Cheng, Huang, et Cheng, 2013)

Figure 6 : Analyse par ÉF démontrant l’uniformité de la répartition des contraintes de traction à la section du spécimen (Lin, Cheng, Huang, et Cheng, 2013)

Quelques études ont aussi proposés des méthodes d’essai sur spécimens prismatiques (Zheng, Kwan, et Lee, 2001) ou cylindriques ( (Dolen, 2011) et (Kim et Taha, 2014)), pour lesquelles des doubles plaques d’acier boulonnées relativement épaisses sont collées aux extrémités du spécimen afin d’appliquer la charge de traction. La Figure 7 illustre bien le principe de montage du spécimen et de l’essai.

Figure 7 : Montage expérimental d’un essai sur spécimen cylindrique avec doubles plaques boulonnées et collées (Kim et Taha, 2014)

Une épaisseur suffisante des plaques d’acier boulonnées et collées est nécessaire afin d’assurer une répartition uniforme de la contrainte de traction à l’intérieur du spécimen. Une analyse par éléments finis peut être nécessaire pour faire une validation de l’épaisseur adéquate des plaques. Il a cependant été convenu que l’épaisseur d’une plaque, ou d’une combinaison de deux plaques, d’au moins un tiers du diamètre du spécimen cylindrique testé est adéquate pour assurer l’uniformité de la contrainte en traction (US Army Corps of Engineers, 1992).