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GBB Event 05/06/2014 – Château de Namur
Béton renforcé de fibres métalliques ( BRFM) : un matériau mature pour une vocation structurale ?
ir. B. ParmentierDivision Structures
CSTC
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design 2/62
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
1969
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
2001
50 kg/m³
6 cm
Océanographic Museum (Valencia, Spain)Architect : F. Candela
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Le BRFM en Belgique ... 3%
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Pas toujours économique
Pourquoi pas davantage en structure ?
Béton avec armatures : s = 0,45% (80g)
BRFM (80 kg/m3) : s = 1,00% (240g)
Walraven (2007)
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Pour la mêmecharge ultime
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
« (...), ceci conduit à utiliser des taux homéopatiques de fibres, en l’occurrence entre 15
et 30kg/m³ de béton »— Pierre Rossi, LCPC
Technologique (Ouvrabilité délicate au-dessus de 60 kg/m³ de fibres élancées)
Pourquoi pas davantage (avant) ?
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Dosage vs. Performance
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GBB Event 05/06/2014 – Château de Namur
Est-ce
fiable ?
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
X 3
12 éch.20 kg/m³même fibre
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Le béton renforcé de fibres est…
Discontinu
Distribué de manière homogène
3D
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Le BRFM « courant », c’est…
0,25% à 1% en volume de fibres (acier)
25 à 80 kg/m³
Résistance mécanique améliorée
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Applications
Poutres
Voiles
Planchers-dalles
Semelles de fondation
Radiers
Dallages sur terre-plein
Dallages sur pieux
Béton projeté
Dalle de compression
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Walraven (2007)
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
A) Propriétés géométriques (L – Ø – )
Quelles fibres (pour BRFM courant) ?
L : 30 à 60 mm
Ø : 0,40 à 1,00 mm
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Ancrage d’extrémité
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Quelques fibres…
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
A) Propriétés géométriquesB) Propriétés mécaniques (fil acier entre 850 et 2000 MPa)
Quelles fibres ?
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Synthétique
Acier
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Fonctionnement du BRFM
Couture des fissures
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Propriété mécanique Effet
Résistance à la compression (pic)
Résistance au cisaillement
Résistance au fendage
Résistance à la flexion
Résistance à la flexion résiduelle (énergie)
Impact
Fatigue
Propriétés modifiées par les fibres
/
/
/
+
+
+
+
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Résistance à la flexion résiduelle (énergie post-fissuration)
Flexion sur système statique déterminé
Load
Crack opening
Béton armé traditionnel
Béton fibres acier
Béton non armé
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
Importance de l’élancement () de la fibre
= L/Ø
Plus la fibre est longue et plus elle est extraite difficilement de la matrice (pull-out)
Plus le diamètre est faible et plus il y a de fibres par m³ et meilleure est la distribution
Même élancement
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Back from …1960-1980
1980…Test methods todetermine SFRC
performance:JSCE-SF4 (1983)
ASTM C 1018
1995Dramix GuidelineDesign of concrete
structures: steel wirefibre reinforced
concrete structureswith or without
ordinary reinforcement(Belgian initiative:
Bekaert, UGent, KULeuven, WTCB)
2003Rilem TC162-TDFTest and design
methods for steel fibrereinforced concrete
(International group of Universities)
National standards on beam test:
DBV, CUR, NBN, NF, UNE, ….
National Design Recommendations
ACI 318 Building Code contains definition of structural SFRC forshear reinforcement
2008
2012FIB TG 8.3. Design of
FRC structuresModel Code containsfibre concrete for first
time
EC2 Building CodeKick-off meeting on
Oct, 30, 2012
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Du matériau au calcul de structure
1Caractérisation
2Classes de performance
3Lois constitutives
4Résistances de calcul
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Méthodes d’essai (principales)
Traction directe(RILEM)
Flexion 3 points(EN 14651)
Flexion dalles rondes(ASTM C1550)
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
EN 14651
BEFIM HSC
BEFIM
EN 14651 HSC
NBN B15-238
NBN B15-238 HSC
Round Panel HSC
Round Panel
23.7%
22.1%
18.0%
15.9%
8.8%
8.5%
7.6%
4.3%
Contrainte résiduelle@2,15/5mm 30kg/m³
Variabilité propre aux méthodes d’essaiLes essais isostatiques sur petits échantillons présentent la plus grande variabilité
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Valeurs caractéristiques
fRk = fRm – k.s
fRk / fRm 0.50
Pour 12 échantillons testés en flexion 3 points (COV = 25%) :
n 1 2 3 4 5 6 8 10 12 20 30
Vx, known2.31 2.01 1.89 1.83 1.80 1.77 1.74 1.72 1.71 1.68 1.67 1.64
Vx, unknown- - 3.37 2.63 2.33 2.18 2.00 1.92 1.87 1.76 1.73 1.64
[ k = t(=n-1,p).(1/n+1)1/2 ]
Réf. : EN 1990 Table D1
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fRk / fRm 0.75
Pour 4 échantillons testés en flexion sur dalles rondes (COV = 10%) :
25% de gain !
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Du matériau au calcul de structure
1Caractérisation
2Classes de performance
3Lois constitutives
4Résistances de calcul
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Si simple ?Classes de performance…
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Classes de performance
Caractérisation flexion 3 points (EN 14651)
hsp = 125mm
fR1
fR3L = 500 mm
0,5 1,5 3,52,5
Crack opening [mm]
LOAD
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Classes de performance
Proposition de classification MC2010
Classe 2a
a : 0.5 < fR3,k/fR1,k < 0.7
b : 0.7 ≤ fR3,k/fR1,k < 0.9
c : 0.9 ≤ fR3,k/fR1,k < 1.1
d : 1.1 ≤ fR3,k/fR1,k < 1.3
e : 1.3 ≤ fR3,k/fR1,k
2.0 ≤ fR1,k ≤ 2.5
1.01.52.02.53.04.05.06.07.08.0…
fR1,k [MPa]
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Applications structurales
Remplacement total ou partiel des armatures traditionnelles aux ELU
Strength Stand. dev.
fL,m4.1 0.31
fL,k 3.5
fR1,m2.9 0.5
fR1,k 2.0
fr3,m2.3 0.6
fR3,k 1.2
n=12Classe 2a
fR1,k/fLk > 0.4
fR3,k/fR1,k > 0.5
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Du matériau au calcul de structure
1Caractérisation
2Classes de performance
3Lois constitutives
4Résistances de calcul
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Lois constitutives
RILEM TC 162-TDF (2003) => approche « section »
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Loi constitutive en traction uniaxiale
Approche expérimentale via essais de traction directe
0 0.4 0.8 1.20
2
4
6fct
Stress [MPa]
Crack opening [mm]
(1,w1)
(2,w2)
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Loi constitutive en traction uniaxiale
Approche expérimentale via analyse inverse
Load [kN]
Mid-span deflection [mm]
----- IAStress [MPa]
Test___
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Loi constitutive en traction uniaxiale
Approche « normative » MC2010 :
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Loi constitutive en traction uniaxiale
Approche « normative » MC2010
. .
.
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OU
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Loi constitutive
Approche « normative » MC2010
?
?
1
2
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Passage au diagramme
Longueur structurale caractéristique (lcs)
,
Si pas d’armatures
1
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Ouverture de fissure ultime
. , . 2
Glissement des fibres (dépend de leur géométrie)
2% distribution variable des déformations dans la section
1% traction pure
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Du matériau au calcul de structure
1Caractérisation
2Classes de performance
3Lois constitutives
4Résistances de calcul
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Fiabilité
Coefficients partiels de sécurité
Coeff. sécurité
BRF en compression Cfr. béton non armé
BRF en traction (LOP) Cfr. béton non armé
BRF en traction (Résistance résiduelle) . *
(*) F = 1.3 si mesures de contrôle spéciales
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Fiabilité
Influence de l’orientation , ⁄
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L. Ferrara et al. (2010)
30 mm
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Fiabilité
Coefficient de redistribution
.
,
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La résistance ultime de la structure calculée sur base d’essais de labo est augmentée par le facteur KRd
Charge max.
Charge de fissuration
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Fiabilité
Influence de l’épaisseur
Ref. : Recommandations RILEM TC 162-TDF
→ .
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Epaisseur de l’élément réel
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
ELU - Ductilité
Conditions de ductilité à vérifier si pas d’armatures traditionnelles minimales (MC2010) :
P
PU
UPEAKSLS
Displacement
SLSP
Load
MAX
P
crack formationPCR
SLS peak u
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
ELU – Flexion et/ou compression axiale
Relation contrainte-déformation simplifiée MC2010
Déformation max en compression Déformation maximale de l’acier Déformation maximale du BRF
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
ELU – Flexion dalles (MC2010)
.
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
ELU – Effort tranchant (MC2010)
Résistance à l’effort tranchant conféré par les fibres- Avec armatures longitudinales mais sans étriers :
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
ELS (MC2010)
Calcul ouverture de fissure (avec arm. traditionnelles)
dw )(1)(
2
1
,srrsrs
sbm
tsmFctm
efs
s EE
ff
σsr = (fctm – fFtsm) . (1 + αe.ρs) / ρs,eff
Avec…
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
ELS (MC2010)
Armature minimale (As,min)
s
ctFtsmctmcs
AffkkA
)(min,
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Introduction Caractérisation DesignComportement BRF
Recap
Méthodes d’essai présentent une variabilité différente Lois constitutives admises par le MC2010 Approche fiabilité au sens EC2 Redondance structure réelle importante
par rapport aux essais labo Influence mise en œuvre (surtout pour éléments minces) Nouveaux développements
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Mature : OUI, mais pas pour toutes les applications toujours pertinent du point de vue technico-économique.
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Introduction Comportement BRF Caractérisation Design
BBRI - Lab. Structures [email protected]
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