Types d’armatures d’effort tranchant

Plusieurs types d’armatures d’effort tranchants existent. Il existe tout d’abord les barres verticales que sont les épingles, les étriers et les cadres (Figure 2-50).

Figure 2-50 Types d'armatures d'effort tranchant verticales

A noter que d’autres types d’armatures d’effort tranchant peuvent être utilisés mais à moindre mesure comme les goujons de cisaillement.

Ensuite, il existe les armatures d’effort tranchant inclinées dont les épingles positionnées de la sorte et les barres relevées qui ont en général un angle d’inclinaison de 45° (Figure 2-51).

Figure 2-51 Barre relevée

Enfin, l’utilisation des fibres (métalliques ou plastiques) comme armatures d’effort tranchant devient de plus en plus commun.

Il existe plusieurs critères de choix quant au type d’armatures d’effort tranchant à utiliser. Le premier critère, celui de la performance est important et sera abordé dans la suite. Il n’en demeure pas moins que d’autres paramètres cruciaux peuvent faire pencher la balance. Les renforts en cisaillement doivent en outre être pratiques pour les deux aspects de fabrication et d’installation.

Le premier type d'armatures de cisaillement proposé pour les différents spécimens (dalles, poutres…) consistait en des barres relevées (Figure 2-51) (Graf (Graf 1938), Elstener (Richard C.

68 Elstner and Hognestad 1956), Anderson (J. . Anderson 1963)). Il est hautement efficace et économique lorsqu'il est combiné avec d'autres types de renforcements, telles que des épingles comme montrées par Broms (Broms 2000).

Différents types d'épingles ont également été testés pour des dalles : des étriers continus (Figure 2-50 b)), qui ont d'abord été évalués par Seible et al. (Seible, Ghali, and Dilger 1980), et des étriers inclinés (Figure 2-51b). En général, les armatures d’effort tranchant fermées et les étriers continus ne sont pas courants car ils entravent les installations de barres d'armatures longitudinales et transversales. En revanche, les épingles ouvertes offrent plus de polyvalence à la fois la conception et la construction. Cependant, ils ont tendance à augmenter les coûts parce qu'ils sont laborieux en termes de production et d'installation.

Les recherches menées au Brésil par Melo et al.(Melo, Coelho, and Oliveira 2000), Andrade (ANDRADE 2000) et Trautwein (Trautwein 2001) présentent les résultats des essais sur dalles avec des épingles ayant des inclinaisons de 45º et 60º par rapport au plan de la dalle. Ces derniers ont montré d'excellentes performances structurelles en raison d’un meilleur ancrage au béton, mais leur utilisation est limitée car elle n’est pas pratique.

Les différences de performance entre les types d’armatures d’effort tranchant ont été analysées par plusieurs études : Kani (G. N. J. Kani 1969) Mohammadyan-Yasouj (Mohammadyan-Yasouj et al. 2015), Cucchiara (Cucchiara, La Mendola, and Papia 2004), Narayanan (Narayanan and Darwish 1987a), Ferreira (Ferreira et al. 2016), Soltani (Soltani, Indurkar, and Ross 2016) et Gayed (Gayed and Ghali 2004).

Certaines de ces investigations sont détaillées ci-dessous :

2.4.5.3.1 Les barres relevées et les épingles verticales et inclinées Les travaux de Kani (G. N. J. Kani 1969)

Kani a présenté les résultats d’essais sur poutres avec 3 types d’armatures d’effort tranchant : les épingles verticales, les barres relevées et les épingles inclinées.

Les variables ont été le rapport d’élancement ^𝑎

𝑑 (à travers le paramètre 𝑎 ), et le nombre d’armatures d’effort tranchant disposées dans ses poutres.

Le tableau présente les données et résultats de sa campagne avec 𝑢 la distance entre la première armature de cisaillement et le point charge. Les spécimens sont désignés par A, B ou C

en fonction du type de renforts qu’ils contiennent respectivement : des épingles verticales, des épingles inclinées ou des barres relevées.

Tableau 2-9 Propriétés des armatures d'effort tranchant

Spécimen 𝑏_𝑤 (𝑚𝑚) 𝑑 (𝑚𝑚) 𝑎 (𝑚𝑚) 𝜌_𝑙 % 𝑎 𝑑

Armatures d’effort tranchant 𝑉_𝑢 𝑀𝑃𝑎 Nombre et diamètre 𝑢 (𝑚𝑚) 𝑠 (𝑚𝑚) A1 155 280 1085 2.62 3.88 1ϕ13 203 - 1.28 B1 155 275 1085 2.64 3.94 1ϕ13 203 - 1.85 C1 155 280 1085 2.52 3.87 1ϕ13 203 - 1.87 A2 156 280 1221 2.56 4.36 1ϕ13 203 - 1.11 B2 157 277 1221 2.57 4.41 1ϕ13 203 - 1.43 C2 154 277 1221 2.63 4.41 1ϕ13 203 - 1.57 A3 156 281 1085 2.57 3.86 2ϕ10 203 272 2.30 B3 156 273 1085 2.61 3.98 2ϕ10 203 272 2.06 C3 155 285 1085 2.50 3.80 2ϕ10 203 272 2.08 A4 156 276 1356 2.62 4.92 2ϕ10 203 272 1.41 B4 154 276 1356 2.60 4.90 2ϕ10 203 272 1.39 C4 155 285 1356 2.50 4.75 2ϕ10 203 272 1.67

Figure 2-52 Schéma explicatif des paramètres d'armatures de cisaillement (cas des poutres B avec

épingles inclinées)

Les résultats de la campagne d’essais traduisent que lorsqu’une seule armature de cisaillement est ajoutée, choisir des éléments non verticaux comme les barres relevées et les épingles inclinées permet une augmentation de la contrainte ultime de près de 45% (cas de la poutre A1 par rapport à B1). Cet accroissement est observé quel que soit le rapport a/d mais il dépend fortement de la proximité de l’élément de renforcement du point de charge. En effet, lorsque

a

P

u 45°

70 l’épingle verticale est proche de la zone de charge, l’ancrage est faible. Les éléments inclinés couvrent une distance horizontale qui leur permet un meilleur ancrage.

En revanche, lorsque les épingles sont placées dans une zone suffisamment éloignée de la zone de charge, il s’agit du cas de la deuxième épingle pour les poutres A3 et A4, la différence de résistance au cisaillement entre les poutres équipées d’armatures inclinées et celles avec des armatures verticales n’est plus observée.

De manière générale, les barres relevées présentent les meilleurs résultats en termes de performance.

Les travaux de Mohammadyan-Yasouj (Mohammadyan-Yasouj et al. 2015)

L’équipe de Mohammadyan-Yasouj a effectué des recherches concernant les poutres larges équipées de différents types d’armatures d’effort tranchant : les épingles et les barres relevées.

Les propriétés géométriques des spécimens sont similaires, seuls peuvent varier la disposition et le taux d’armatures d’effort tranchant (Tableau 2-10).

Tableau 2-10 Propriétés des spécimens (Mohammadyan-Yasouj et al. 2015)

Spécimen 𝑏_𝑤 𝑑 h (mm) 𝑎 𝑑 𝜌𝐿 %

Désignation des armatures de cisaillement

Pmax (kN)

Ymax (mm) Epingles Barres relevées

𝐴_𝑣 (𝑚𝑚2) 𝑆_𝑣 (𝑚𝑚) 𝐴_𝑣𝑏 (𝑚𝑚2) 𝑆_𝑣𝑏 (𝑚𝑚) WB1 3.6 250 550 1.4 - - - - 401 2.6 WB2 3.6 250 550 1.4 - - 157 150 604 6.9 WB5 3.6 250 550 1.4 170 150 - - 581 5.9 WB6 3.6 250 550 1.4 170 300 157 150 635 5.8

Figure 2-53 Courbes charge-flèches des différentes poutres larges testées (Mohammadyan-Yasouj et al. 2015)

L’utilisation des barres relevées (spécimen WB2) a permis une augmentation de charge d’environ 51%, avec une plus grande ductilité par rapport à la poutre WB1 en raison d’une flèche maximale plus grande également. La mise en place d’épingles (spécimen WB5) permet une augmentation de 45% de la résistance au cisaillement, mais celle-ci est moins importante que celle permises par les barres relevées, grâce à leur inclinaison. Quand les deux solutions sont utilisées (spécimen WB5), l’augmentation de la résistance au cisaillement n’est que de 5% par rapport au cas WB2. De ce fait, la contribution des armatures d’effort tranchant est limitée pour des taux de renforcement importants.

• Les goujons

Soltani (Soltani, Indurkar, and Ross 2016) s’est intéressé à l’étude de poutres et dalles équipées de rails de goujons et leurs comportement lorsqu’elles sont soumises à du cisaillement. Il les a comparées à des poutres et dalles avec épingles verticales (Figure 2-54).

72 Figure 2-54 Sections transversales des poutres et dalles (1 in=25.4mm) (Soltani, Indurkar, and Ross

2016)

Les paramètres d’études sont le taux d’armatures longitudinales, le rapport d’élancement

𝑎

𝑑 et le taux d’armatures d’effort tranchant en faisant varier l’espacement.

Les poutres B sont simplement appuyées, les dalles S sont portées sur une unique direction. Les éléments munis de goujons sont désignés par R et ceux équipés d’épingles par S.

Spécimen 𝜌_𝐿 % 𝑏_𝑤 (𝑚𝑚) ℎ (𝑚𝑚) 𝑎 (𝑚𝑚) ^𝑎 𝑑 Espacement longitudinal 𝑠 (𝑚𝑚) 𝑉_𝑢 (𝑘𝑁) Type de rupture2 SR6 0.18 559 229 558 2.7 152 269 C.F

SS6 0.18 559 229 558 2.7 152 302 F BR3 0.2 203 355 609 1.9 76 317 C.F BS3 0.2 203 355 609 1.9 76 306 F BR6 0.2 203 355 660 2.1 152 285 C.F BS6 0.2 203 355 660 2.1 152 324 F BR8 0.2 203 355 609 1.9 203 262 C.C BS8 0.2 203 355 609 1.9 203 283 F

Les résultats expérimentaux montrent que les épingles verticales présentent de meilleures performances en général que les rails de goujons et permettent d’atteindre des ruptures en flexion. Par ailleurs, l’auteur explique que les goujons ont atteint leur limite élastique 𝑓_𝑦𝑅 = 355 𝑀𝑃𝑎 qui est inférieure à celle des épingles 𝑓_𝑦𝑆 = 496 𝑀𝑃𝑎 ce qui explique la meilleure résistance au cisaillement des éléments équipés d’épingles. Ceci entre autres, met en lumière l’importance de la limite d’élasticité dans la résistance au cisaillement conférée par les armatures d’effort tranchant. En revanche, Soltani développe que la configuration des épingles permet une meilleure résistance à la torsion.

En comparant des poutres munies de goujons à double tête à des poutres avec épingles à travers des essais de cisaillement, Gayed et Ghali (Gayed and Ghali 2004) indiquent que la résistance au cisaillement et la ductilité est légèrement améliorée avec les goujons. Ils concluent que ce type de renforcement est un substitut adéquat aux épingles dans le renforcement des spécimens au cisaillement.

• Les fibres métalliques

Plusieurs rapports publiés durant les 25 dernières années ont considéré la possibilité d’utiliser les fibres d’aciers en leur assignant la fonction de renforcement en cisaillement.

La mise en place de fibres renforce le béton en raison de :

- L’augmentation de la résistance en traction du béton. - Le retard de formation des fissures et leur croissance.

74 - Une distance plus petite entre les fibres par rapport à celle entre les épingles, impliquant une efficacité plus grande dans le mécanisme d’arrêt de fissures et une meilleure distribution des fissures de traction.

Narayanan et Darwish (Narayanan and Darwish 1987b) ont observé que le profil de fissuration qui se développe dans les poutres armées en fibres sollicitées en cisaillement est similaire à ce qui est observé dans les poutres en B.A avec des épingles. Cette remarque vient de la comparaison entre les performances des poutres armées uniquement en épingles et de poutres sans épingles avec du béton fibré dans un pourcentage équivalent à celui des épingles : l’amélioration de la charge maximale de cisaillement n’est pas significative mais la résistance correspondant à l’apparition de la 1ere fissure augmente remarquablement. Les fibres ont comme rôle de transformer la rupture brutale en une rupture plus ductile. Cela est lié à une amélioration de l’effet de goujon et l’effet d’arche dans le spécimen (dû à la résistance à la traction offerte par les fibres qui traversent la section fissurée). La modélisation de ces éléments a démontré les paramètres jouant dans ces fibres à savoir :

- Le volume et caractéristiques géométriques des fibres.

- Le lien entre les fibres de la matrice qui déterminent la résistance à la traction.

A travers sa campagne expérimentale qui consistait en la comparaison du comportement au cisaillement des poutres avec bétons fibrées, par rapport aux poutres équipées Cucchiera (Cucchiara, La Mendola, and Papia 2004) a démontré, que les fibres sont efficaces dans des spécimens gouvernés par l’effet poutre, c’est-à-dire un rapport ^𝑎

𝑑 > 2.5 .L’auteur souligne également, qu’à condition d’un dosage suffisant (taux >2%), les fibres peuvent se substituer aux épingles car elles autorisent une bonne dissipation d’énergie. Néanmoins, coupler les deux solutions offre l’avantage d’une déformation plus importante post élastique.

En résumé, il existe divers types d’armatures d’effort tranchant, qui possèdent chacun d’eux des avantages et des inconvénients dans leurs performances, leurs productions, leurs coûts et leurs mises en œuvre.

Dans la suite, les épingles seront l’unique type d’armature d’effort tranchant abordé puisque les dalles testées dans le cadre de la campagne expérimentale étaient équipées d’épingles verticales.