Résistance à la fatigue des portiques de signalisation routière
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1. CAN CSA S6 2000 Association canadienne de normalisation Rexdale Ontario2. ci par rapport l am lioration de la r sistance ultime d une poutre endommag e L ajout de renfort d ancrage permet d att nuer le d collement et d avoir un gain en capacit comme le montrent les r sultats de la poutre C3 Il faut noter cependant que le d collement des mat riaux composites n a pas affect le d roulement de ce projet ni les conclusions qui en d coulent puisque celui ci consistait essentiellement tudier la phase de fissuration et le comportement en service Tableau 2 Comportement g n ral Poutre Ment kN Mode de rupture M cr M l M Cr A M max M max M max A 354 1177 crasement du b ton R f rence BI 460 1 3 1124 0 96 crasement du b ton Pr c externe B2 crasement du b ton et 2 lamelles 339 0 96 LOI 0 94 d collement des lamelles 260 0 73 1010 0 86 D collement des lamelles 1 lamelle a 259 0 73 737 0 63 D collement des lamelles 2 lamelles a 257 0 73 765 0 65 D collement des lamelles 1 lamelle a 261 0 74 872 0 74 D collement des lamelles 2 lamelles Les figures 3 et 4 pr sentent l ensemble des mesures exp rimentales du moment en fonction de la courbure On observe que les poutres qui pr sentent le m me niveau d endommagement se comportent de la m me fa on ind pendamment de leur niveau de renforcement jusqu un niveau avanc de chargement Cependant les l ments les plus endommag s atte
3. e avec ce logiciel a permis de mettre en valeur la contribution des mat riaux composites pour le comportement en service Les analyses o les crit res de service et de fatigue prescrits par le Code CSA S6 00 ont t appliqu es ont d montr que l usage des mat riaux composites comme renforcement externe pour des poutres pr contraintes endommag es tait applicable pour un niveau d endommagement limit mais que dans tous les cas tudi s le comportement originel de la section n tait jamais r tabli 22000 20000 Intacte 18000 Endommag e H Pr c externe Renf passif Renf flexible 16000 14000 12000 Moment KN m 10000 8000 6000 4000 T T 900 1000 1100 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Contrainte MPa 1200 1300 Figure 8 Contraintes dans le dernier lit de torons efficaces pour deux lits endommag s pour une r paration avec des composites souples REMERCIEMENTS Les auteurs remercient pour leur support financier le minist re des Transports du Qu bec le CRSNG et le fonds FCAR Les auteurs remercient les nombreux tudiants et techniciens du laboratoire de Structures de l Ecole Polytechnique pour leur pr cieuse assistance R F RENCES B dard S et Massicotte B 2001 AIS Analyse in lastique des structures Manuel d utilisation Ecole Polytechnique de Montr al CSA 2000 Code canadien sur le calcul des ponts routiers
4. soit deux lamelles coll es ce qui repr sente 100 de ce qui est r alisable et une lamelle ce qui correspond 50 du renforcement maximal possible JUN I0 N FT _ Cu xN A _ triers Le 300 pa N2 Oe S Etriers N 10 Etriers triers triers 62 5 125 typ Etriers 200 typ 125 typ typ 50 55t NN B 25 2725 Isolant rigide 730 Torons T13 250 1000 50 3000 1000 250 5500 250 Tubes creux 100 TS int rieur 1 Note 1 isolant rigide HE Le utilis uniquement pour Etriers 10M les poutres endommag es N 10 N 20 75 EE T13 Mauss 1050 55 50 typ Figure 1 Design final des sp cimens 250 Torons 750 section s oso i 50 e o o 2 SO NH di dE 105 155 Type A Type B Type C Figure 2 Sections types Programme exp rimental L ensemble du projet comprend les essais en flexion de huit poutres pr contraintes dont sept endommag es puis r par es des niveaux diff rents Le tableau 1 d crit l ensemble des tests constituant le programme exp rimental Tableau 1 R capitulatif des essais de flexion Sp cimens Endommagement R paration Type de test Observations Al Aucun Aucun Statique Poutre de r f rence Pr contrainte f Pour fin de B1 3 Statique 1 lit endommag externe comparai
5. RENFORCEMENT PASSIF DE POUTRES PR CONTRAINTES ENDOMMAG ES David Folcher Bruno Massicotte Pierre Labossi re tudiant gradu Professeur titulaire Professeur titulaire cole Polytechnique de Montr al Universit de Sherbrooke Montr al Qu bec H3C 3A7 Sherbrooke Qu bec JIK 2R1 R SUM L tat de certains ouvrages en b ton pr contraint qui composent le r seau routier qu b cois pr sente une probl matique li e la d t rioration suite un impact et ou la corrosion L application d une pr contrainte externe permet de recouvrer les caract ristiques m caniques de la structure mais demeure lourde ex cuter et on reuse Cet article pr sente l tude du comportement de poutres pr contraintes endommag es et renforc es avec des lamelles de fibres de carbone L tude se limite au comportement aux tats limites d utilisation et de fatigue puisque g n ralement ce sont les crit res qui gouvernent la conception des poutres pr contraintes Un programme exp rimental consistant tester en flexion huit poutres pr contraintes pr sentant des niveaux d endommagement et de r paration diff rents a t r alis Les donn es recueillies durant la phase exp rimentale ont permis de simuler analytiquement le comportement des poutres tudi es Ces simulations ont t r alis es l aide du logiciel AIS La comparaison entre les r sultats exp rimentaux et analytiques a d montr que les pr dictions obtenues ave
6. adien des ponts CSA 2000 limite la variation de contrainte 125 MPa Pour le pont choisi dans l exemple l augmentation du moment fl chissant d aux chargement CL 625 l tat limite de fatigue pour la poutre ext rieure est d environ 2925 KN m alors que le moment fl chissant d aux charges permanentes est gal 4225 KN m de sorte que le moment maximal devant tre consid r est 7150 KN m R sultats des analyses Les r sultats des analyses sont pr sent s aux figures 6 et 7 o la contrainte dans le dernier lit efficace est donn e pour diverses situations d endommagement La figure 6 pr sente le cas o un lit est manquant La variation de moment induit par le passage d une CL 625 pour la poutre non renforc e cause une augmentation de contrainte environ gale la limite permise de 125 MPa En principe la poutre n aurait pas besoin d tre renforc e du moins en ce qui a trait au crit re choisi Dans le cas pr sent sur la figure 7 deux lits sont manquants Dans ce cas la faible efficacit du mat riau composite rigide utilis fait en sorte que le pont renforc son niveau maximal avec ce type de mat riaux ne peut tre renforc efficacement 16000 14000 E 12000 Z 10000 a 8000 Hhntacte Endommag e Pr c externe 6000 Renf passif 4000 900 1100 1300 1500 1700 1900 Contrainte MPa Figure 6 Contraintes dans le dernier lit de torons efficaces pour un lit e
7. c le logiciel taient r alistes et fiables en ce qui concerne le comportement en service et l ultime des poutres pr contraintes endommag es puis renforc es l aide de mat riaux composites INTRODUCTION Le r seau qu b cois des infrastructures de transport comporte un grand nombre d ouvrages d art Parmi ceux ci on observe sur certains ponts et viaducs en b ton pr contraint une perte de capacit en flexion provenant de la corrosion ou la collision accidentelle de v hicules qui rendent des c bles de pr contraintes inefficaces C est dans ce contexte de renforcement passif qu un projet de recherche a t r alis en collaboration entre le minist re des Transports du Qu bec MTQ L objectif de ce projet tait d tudier la faisabilit du renforcement l aide de mat riaux composites de poutres pr contraintes endommag es Dans un premier temps le projet devait mettre en vidence les aspects importants li s ce genre de r paration puis d velopper une m thode de calcul exacte pour des fins de conception et d tablir les crit res de calcul devant tre appliqu s dans le cas du renforcement de poutres pr contraintes Le projet de recherche a consist principalement en l tude exp rimentale du comportement en flexion de poutres en b ton pr contraint endommag es puis r par es l aide de fibres de carbone afin de r colter des donn es permettant de faire une valuation rigoureuse de cette so
8. di s Les simulations r alis es avaient pour but d analyser l influence des principaux param tres soient le niveau d endommagement le type de r paration et le niveau de r paration Le tableau 3 pr sente l ensemble des simulations r alis es 1200 1000 E 800 zZ x 600 5 400 200 0 10 Courbure x 10 mm 15 20 Figure 5 R ponse moment courbure de la poutre B3 Tableau 3 Param tres de mod lisation Niveau Type de Niveau de Section d endommagement r paration r paration E0 R f rence ORE f f El Aucune EIE Pr contrainte 1306 KN 1 lit perdu externe EIC Composite 1370mm rigide E2 Aucune PE 2 lits perdus Pr contrainte 2621 kN externe E2C Composite I 1320 mm rigide Pour le renforcement par pr contrainte externe la force appliqu e correspond celle requise pour redonner au b ton la contrainte pr sente avant l endommagement Pour le renforcement par lamelles de composites rigides la quantit utilis e correspond la quantit maximale qui peut tre install e pour le produit utilis dans cette tude savoir au dessous et sur les c t s de la semelle inf rieure Le projet de recherche a permis d identifier que la situation plus critique correspondait l tat limite de fatigue d un toron dans une poutre fissur e Dans une telle situation le code Can
9. e espac es 3 m avec un tablier de 11 9 m de largeur Trois caract ristiques ont t reproduites dans les sp cimens soit le type de torons leur position et l tat de contrainte la fibre inf rieure de la poutre Ce dernier param tre a t calcul l aide des donn es fournies par le MTQ Apr s la prise en compte des pertes dues au fluage et au retrait du b ton ainsi qu la relaxation des aciers la contrainte de compression la fibre inf rieure a t calcul e 8 5 MPa Il a donc t d cid d utiliser des sp cimens de section rectangulaire 750 x 250 mm comprenant quatre lits de pr contrainte dans la partie inf rieure et un lit de pr contrainte dans la partie sup rieure Chaque lit est constitu de 4 torons de 12 7 mm de diam tre basse relaxation chaque toron consistant en 7 brins dont la section nominale est de 98 7 mm La figure 1 montre le design final des sp cimens ainsi calcul s Choix de l endommagement Il a t choisi de tester deux configurations diff rentes soit une d t rioration de 25 des torons ce qui correspond un lit complet soit une perte de 50 de la force de pr contrainte ce qui correspond deux lits complets L endommagement est simul en sectionnant la mi port e des poutres le nombre de torons correspondant la configuration souhait e La figure 2 montre les trois configurations Niveau de r paration La r paration consiste remplacer le b ton ma
10. ignent des valeurs de courbure plus importantes 1200 1000 E 800 Z x 600 400 Peg fissuration 200 o 0 5 10 15 20 25 30 Courbure x 10 mm Figure 3 Diagrammes moment courbure 1200 1000 800 Z x 600 eb 400 200 od 0 5 10 15 20 25 Courbure x 10 mm Figure 4 Diagramme moment courbure MOD LISATION AVEC AIS L analyse th orique des diff rents essais r alis s dans le cadre du programme exp rimental a t effectu e l aide du logiciel AZS pour Analyse In lastique des Structures B dard et Massicotte 2001 L ensemble des types de section qui font l objet du programme exp rimental ont t simul es La figure 5 pr sente une comparaison entre les diagrammes moment courbure obtenus par simulation et celui mesur exp rimentalement pour la poutre B3 Une pr cision comparable a t obtenu avec les autres poutres du programme exp rimental ce qui permet de conclure que le logiciel AIS peut tre utilis comme outil de pr dictif du comportement des poutres renforc es avec des mat riaux composites TUDE PARAM TRIQUE Une tude param trique avec AIS a t men e dans le but de mettre en vidence les avantages et les inconv nients li s l utilisation des mat riaux composites comme renforcement passif Le pont mentionn e pr c demment a inspir la mod lisation de la poutre tudi e Param tres tu
11. lution par rapport aux solutions existantes Les r sultats exp rimentaux ont servi valider un logiciel de calcul AIS d velopp l PM pour le MTQ B dard et Massicotte 2001 afin de simuler le comportement en flexion d une section quelconque Ce logiciel pourrait devenir l outil de base pouvant tre utilis par les ing nieurs du Minist re pour tablir la faisabilit de diverses m thodes de renforcement par pr contrainte externe ou par ajout de mat riaux de renforcement passifs Les crit res de conception aux tats limites d utilisation dans le domaine des ponts en b ton pr contraint sont la plupart du temps plus s v res que ceux reli s aux tats limites ultimes Une perte de capacit en flexion due un endommagement sera donc plus critique du point de vue de la fissuration ou de la fl che puisque l ultime les poutres sont surdimensionn es par rapport aux charges de conception Ainsi l tude a port essentiellement sur le comportement en service soit aux tats limites d utilisation et de fatigue Les param tres choisis sont le niveau d endommagement de la section le niveau de r paration et la m thode de renforcement LABORATION DU PROGRAMME EXP RIMENTAL Conception des sp cimens Dans un souci de r alisme la conception des sp cimens test s dans le cadre du pr sent m moire s est fait en fonction d un cas existant constitu de quatre poutres AASHTO de type V de 38 1 m de port
12. ndommag 16000 14000 E 12000 Z x 10000 O 5 ponp Intacte Endommag e 6000 Pr c externe Renf passif 4000 900 1100 1300 1500 1700 1900 Contrainte MPa Figure 7 Contraintes dans le dernier lit de torons efficaces pour deux lits endommag s Autre technique Afin d tudier les possibilit s de renforcement dans le cas de la perte de deux lits un mat riaux composite multicouches souple ayant une paisseur nominale de 1 mm par couche et un module de 65000 MPa a t utilis Les r sultats des analyses r alis es avec AIS sont pr sent s sur la figure 8 On constate dans ce cas qu avec une r paration d environ 10 couches la poutre retrouve un niveau de performance ad quat CONCLUSIONS L tude exp rimentale a permis d observer une faiblesse dans le l ancrage du mat riau composite la structure alors qu une d collement au niveau de l interface colle lamelle a t observ pour tous les essais Une telle situation est pr occupante Toutefois dans la zone faisant l objet de l tude savoir sous les charges d utilisation la m thode de renforcement semble ad quate Le projet de recherche a permis de d montrer que le logiciel AIS constituait un outil fiable pour valuer la faisabilit de diverses techniques de renforcement Cet outil pourrait tre utilis en pratique pour calculer la r sistance des sections endommag es et renforc es L tude param trique r alis
13. nquant par un coulis de r paration Ce programme exp rimental se limite exclusivement un type pr cis de mat riaux composites soit des fibres de carbone sous forme de lamelles rigides li es au support de b ton par une colle base d poxy ayant la consistance d un mortier L ensemble des fournitures pour les mat riaux composites sont de la compagnie Sika Le mat riau composite utilis CarboDur est disponible en 3 largeurs diff rentes savoir 50 mm 80 mm et 100 mm et en 2 paisseurs soit 1 2 mm ou 1 4 mm Il existe 3 variantes S M H du m me produit avec des modules d lasticit et une d formation l ultime diff rents Pour l effet recherch dans ce programme exp rimental on utilise des lamelles de 1 2 mm d paisseur par 100 mm de largeur offrant une d formation l ultime maximale CarboDur S1012 afin d avoir une compatibilit des d formations entre le b ton et les lamelles aussi bonne que possible dans le but d viter des contraintes de cisaillement l interface trop importantes La quantit de renforcement n cessaire a t calcul e afin d obtenir la m me r sistance l ultime que les torons endommag s Cependant les dimensions de la poutre limitent deux la quantit maximale de lamelles de 100 mm pouvant tre coll es sur la face inf rieure des poutres Compte tenu de ces deux conditions il a t d cid d utiliser deux configurations de r parations diff rentes
14. son B2 4 torons inefficaces 2 lamelles Statique B3 1 lamelle Statique CI 2 lamelles Statique C2 1 lamelle Statique C3 2 lits endommag s 2 lamelles Statique AVEG renion CARS 8 torons inefficaces 3 measa Pangia 5 x 10 cycles avec C4 1 lamelle grande XE amplitude variable amplitude R SULTATS EXP RIMENTAUX Chaque essai a permis d obtenir des mesures sur le comportement du b ton des lamelles de fibres de carbone ainsi que de la fl che Le tableau 2 pr sente des donn es qui traduisent le comportement g n ral des l ments test s sous chargement statique Le tableau 2 permet de mentionner que la fissuration intervient toujours au m me stade de chargement soit environ 73 de la charge de fissuration pour la poutre de contr le si on fait exception de la poutre B2 pour laquelle le comportement de la poutre intacte a t recouvr et de la poutre B1 qui avait une pr contrainte externe La valeur de fissuration de la poutre B1 est sup rieure celle de la poutre de r f rence ce qui s explique par le fait que la force exerc e par le syst me de pr contrainte externe tait l g rement sup rieure celle n cessaire pour compenser la perte d un lit de pr contrainte Il semble donc que le moment de fissuration soit peu influenc par le niveau d endommagement ou de r paration En contre partie le d collement pr matur des composites n a pas permis d valuer la contribution de ceux
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