CROA Bretagne Pays de La Loire Brisard 140605 Cle2eadd4

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Conception et calcul des structures en BFUP 14/06/2005 - 1

Conception et calcul de structures en BFUPSébastien Brisard




Plan de la présentation

• Généralités

– un bref historique (matériaux, réalisations)

– le groupe de travail sur les BFUP

– les recommandations Sétra-AFGC

• Méthodes de dimensionnement

– définition d’un BFUP

– caractéristiques mécaniques

– lois de comportement

– méthodes de dimensionnement (… en annexe)



Un bref historique




« Genèse » des BFUP

• les BTHP ont un comportement explosif en

compression,

• les fibres métalliques confinent le béton :

meilleure ductilité en compression,

• elles améliorent également le comportement à la

traction.

Les fibres sont utilisées en tractionET

encompression !!!




Les premiers BFUP…

• … ne sont pas français, mais Danois (1970

environ),

• BPR (Bouygues, 1990) est l’ancêtre direct des

BFUP actuels,

• il existe des matériaux « exotiques » (CRC,

compact reinforced concrete) : 20 %d’armatures, 6% de fibres !!!




Obtention d’un BFUP

• eau / liant inférieur à 0.2,

• dosage volumique en fibres supérieur à 2 %,

• granulats sélectionnés avec soin,

• utilisation de superplastifiants (le matériau est en

général autoplaçant).




Coupe d’un BFUP




Matériaux disponibles sur le marché français(premix)

• Ductal® : Bouygues, Lafarge, Rhodia,

• BSI® / Ceracem : Eiffage TP, SIKA,

• BCV : Vinci Construction, Vicat,

• Cemtec Multiscale® : LCPC.




Comparaison des divers matériaux

202/3+ 131/31320Lf [mm]

2.0 %2.5 %f [% vol.]

0.3 [mm]

2-3 mm0 mmDmax [mm]

888.8bt [MPa]

150165f c28 [MPa]

BCVDuctalBSI (Millau)



Exemples de réalisations

Il est trop tôt pour parler de domaine

d’emploi…




Poutrelles de Cattenom et Civaux (BSI® etDuctal®)




Ponts de Bourg-lés-Valence (BSI®)




Passerelle de Sherbrooke (BPR)




Passerelle de Séoul (Ductal®)




Auvent de la barrière de péage du viaduc de Millau(BSI®)



Assez de prototypes…

… vers un emploi systématique ?




Passerelle de Papatoetoe (NZ) – Ductal®




Bipoutre mixte acier-BFUP



Le domaine d’emploi du BFUP est-il le géniecivil ?




Mobilier urbain en Ductal® - Salon du meubleParis 2005 – Cabinet Maas




Autres applications

• Bacs à arbres (!) métallisés en BSI® : ville de

Marseille

• Habillage décoratif (DUCTAL®) : gare de

Monaco• Corniches préfabriquées

• Œuvres d’art… produits à forte valeur ajoutée !!!



Les recommandations Sétra-AFGC

Fruit de la collaboration du Groupe de

Travail sur les BFUP

http://hosting.mayeticvillage.fr/Quickplace/setra-bfup/Main.nsf/




Le groupe de travail sur les BFUP

• créé en 1999 afin de publier des

recommandations• environ 30 membres

Aujourd’hui, le groupe existe toujours :

• veille technique

• retour d’expérience sur l’utilisation du matériauet du document

• activité internationale




Les recommandations Sétra-AFGC

• publiées en 2002

• continuent à faire référence au-delà de nos

frontières

• constituent un ensemble de règles directement

utilisables par le concepteur




Filiation des recommandations

oui> 150 MPaRecommandations Sétra-AFGC (2002)

oui 80 MPaRecommandations

AFREM (1995)

non 80 MPaBAEL/BPEL

(1991, rév. 1999)

fibres ?f c28




Transition BHP - BFUP

• Certaines propriétés mécaniques changent

radicalement (fragilité en compression)

• Tous les BFUP sont différents : il n’est pas

possible de donner des formules générales sur

les propriétés mécaniques : nécessité de

recourir à des essais

• Prise en compte de la résistance à la traction :

nécessité de mettre au point de nouvelles règles

de calcul




« Philosophie » de la conception d’une structureen BFUP

• Le but est de se dispenser d’armatures passives

• Efforts « primaires » :

– BFUP (matrice cimentaire),

– précontrainte,

• Efforts « secondaires » : BFUP seul (prise en

compte du comportement post-fissuration).




Plan des recommandations

Trois parties (+ annexes) :

• PARTIE 1 Comportement et caractéristiques

mécaniques des BFUP

• PARTIE 2 Méthodes de dimensionnement des

structures

• PARTIE 3 Durabilité des BFUP



Comportement et caractéristiques mécaniquesdes BFUP




Influence du traitement thermique (TT)

Les éléments sont portés à une température

élevée (environ 90°) plusieurs heures après la

prise du béton.

• atteinte plus rapide des résistances en tractionet compression,

• diminution importante des effets différés (retrait

et fluage),• amélioration des propriétés de durabilité.




Définition d’un BFUP (1/2)

« Par bétons fibrés à ultra hautes performances,

on entend des matériaux à matrice cimentaire,de résistance caractéristique à la compressionsupérieure à 150 MPa, et pouvant aller jusqu'à

250 MPa. Ces matériaux sont additionnés defibres métalliques en vue d'obtenir uncomportement ductile en traction et des'affranchir si possible d'armatures passives. Ils

peuvent également comporter des fibres polymères. […]




Définition d’un BFUP (2/2)

[…] Les BFUP se distinguent des bétons à hautes

et très hautes performances :• par leur résistance en compression

systématiquement supérieure à 150 MPa,

• par l'emploi systématique de fibres, qui assurent la non-fragilité du matériau et modifient lerecours classique aux armatures actives ou

passives,• par leur fort dosage en liant et la sélection particulière dont les granulats font l'objet. »




Quelques valeurs typiques…

E 55 GPa

0.2

1.1 10-5

m/m/K

0.8 (sans TT) ou 0.2 (avec TT)

r 5.5 10-4



Loi de comportement d’un BFUP

Détermination expérimentale




Allure générale

Ouverture de la fissure

Déformation élastique




Résistance en compression

• Mesurée par écrasement d’une éprouvette

cylindrique :

7 cm × 14 cm

ou

11 cm × 22 cm

• Nécessairement :f c28 150 MPa



Résistance à la traction de la matricecimentaire




Résistance à la traction de la matrice cimentaire

• Plusieurs méthodes :

– traction directe : pénalisant, et peu représentatif – flexion quatre points

• Traitement statistique des résultats (Student)pour obtenir une valeur caractéristique

• Typiquement :f t28 7 MPa




Flexion 4 points ?





• Eprouvettes de section

carrée :7 × 7 × 28

10 × 10 × 40

14 × 14 × 5620 × 20 × 80

• Q* correspond à la pertede linéarité





• Résistance à la traction par flexion (analyse

linéaire élastique, avec a = b = h) :

• Correction de l’effet d’échelle (formule CEB-FIP,

h0 = 100 mm)



Loi de comportement post-fissuration

Cas des plaques minces




Plaques minces ?

• Orientation privilégiée des fibres :

e 3 × Lf

e : épaisseur

Lf : longueur des fibres

• Elancement mécanique :

L 50 × eL : portée




Loi de comportement post-fissuration des dallesmincesMicro-fissuration, très

répartie :• essai par flexion 4 points

• loi -eq



Loi de comportement post-fissuration

Cas des plaques épaisses et poutres




Loi de comportement post-fissuration des plaquesépaisses et poutres

Apparition de quelques

macro-fissures :

• essai par flexion 3 points

sur éprouvette entaillée

• loi -w (méthode inverse)




Flexion 3 points ?



Conclusion, perspectives




Les recommandations…

• … constituent un ensemble cohérent de règles

de dimensionnement, adapté à ce matériau trèsparticulier,

• elles ont été utilisées avec succés en France, et

à l’étranger (auvent du péage du Viaduc deMillau),

• elles sont toutefois incomplètes, et méritent

d’être revues après trois ans d’existence.




Avantages du matériau : conception technique

• sa grande résistance permet d’atteindre des

élancements élevés,• matériau très dense, présentant d’excellentes

propriétés en milieu agressif :

– durabilité,

– résistance au feu,

– etc.

• une étanchéité est-elle toujours nécessaire ?




Avantages du matériau : conception architecturale

• structures élancées et donc légères,

• qualités de parement très bonnes (possibilité

d’imiter d’autre matériaux !), grande uniformité,

• possibilité de teinter les éléments.




Avantages du matériau : mise en oeuvre

• autoplaçant,

• pas d’armatures passives en général (gain detemps sur chantier),

• décoffrage rapide car résistance élevée au jeune

âge,

MAIS…

• recours quasi-systématique à la préfabrication,• dans des usines bien équipées, et bien formées.




Pertinence du matériau

• le matériau sera-t-il compétitif ?

• la pertinence du BFUP dans le Génie Civil n’estpas pour l’instant avérée,

• il faut donner sa chance au matériau, mais pas

le placer « sous perfusion » :

– éviter les ouvrages innovants (impossible de mesurer

la compétitivité),

– admettre (sous réserves…) des variantes BFUP.



Annexes



Méthodes de dimensionnement des structures

Justifications sous sollicitations

normales




Loi de calcul ELU : BFUP en compression

• Coefficient partiel de

sécurité b = 1.5

• Durée d’application de la

charge

= 1.0 (t > 24)

= 0.85 (t < 1 h)

• Palier plastique




Loi de calcul ELU : BFUP en traction

• Coefficient partiel de sécurité

bf = 1.3

• Coefficient de passage K 1 (orientation des

fibres)

K = 1.75 (efforts locaux)

K = 1.25 (autres)

(recommandées en l’absence de déterminationexpérimentale)




Loi de calcul ELS

• Dans le domaine élastique, adhérence parfaite

acier-béton :ni = 4 nv = 8 (sans TT)

ni = 4 nv = 5 (avec TT)

• Dans le domaine post-fissuration, on tient

compte du coefficient de passage K




Ouverture de fissure et déformation équivalente

On peut remplacer toutes les lois -w par des

lois -eq, en posant :

Intérêt :

• calculs plus simples (une inconnue en moins)

• adapté aux outils informatiques existants

avec




Vérification à l’ELU

• déterminer la courbe M-

(ou M-w) de la section

• trouver le maximum MRd

• vérifier que MSd MRd




Vérification à l’ELS

Fw < 0.3 ou 0.2 ou 0.1 mm0.60.60.5IV

F-----00.60.60.5III

NF1.5001.0000.60.60.5II

NF0000000.60.60.5I

RFQQPRFQQPRFQQP

AilleursEnrobage C al c ul

Traction adm. (fraction de f t28)Comp. adm.

(fraction f c28)




Vérification à l’ELS – Commentaires du tableauprécédent

• QP = Combinaison quasi-permanente d’actions

• FQ = Combinaison fréquente de d’actions

• R = Combinaison rare d’actions

• NF = calcul en section non-fissurée (RdM

classique)

• F = calcul en section fissurée (BA/BP, AFREM)

• Des limitations existent également sur la tractiondans les armatures !!!




• Taux minimal de fibres (w0 = 0.3 mm)

• Non-fragilitéMel MRd

Ductilité, non-fragilité



Méthodes de dimensionnement des structures

Justifications sous sollicitations

tangentes




Vérification à l’ELS

• Si x 0 (compression)

• Si x<

0 (traction)




Vérification à l’ELU

• Treillis de Ritter-Mörsch toujours applicable

• Terme de participation du béton en traction est

modifié

• Terme supplémentaire de participation des fibres




Efforts concentrés

• Important pour la diffusion de la précontrainte

• Blocs d’ancrage des câbles de précontrainte

sans frette : des recherches sont en cours

Documents

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