Comportement en compression de colonnes en béton renforcées d'armatures en PRF

Abstract

La corrosion des armatures internes en acier dans les structures en béton armé constitue une cause importante de dégradation, ce qui pourrait réduire significativement leur durée de vie, engendrer des coûts de maintenance élevés et mettre en danger la sécurité des usagers. Les basses températures en Amérique du Nord et l'utilisation des sels de déglaçage sont des facteurs accélérant l'apparition et le développement de la corrosion des armatures en acier. D'importants travaux de recherche ont été réalisés pour inhiber ou retarder ce type de dégradation. L'utilisation des Polymères Renforcés de Fibres (PRF) comme armature interne dans le béton est une solution très prometteuse. Les PRF ont d'excellentes propriétés mécaniques, un faible poids et ont l'avantage d'être non corrodables. L'utilisation de ces matériaux composites est maintenant élargie aux éléments structuraux et non structuraux soumis à des efforts de flexion et/ou de cisaillement et encadrée par les règlements canadiens de conception des bâtiments et des ponts. Cependant, l'utilisation des PRF dans les éléments structuraux soumis à des efforts de compression tels que les colonnes en béton n'est pas bien documentée et les performances structurales qu'engendre ce type d'association sont encore méconnues. Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif, à travers une étude expérimentale, d'observer le comportement en compression de colonnes en béton comprenant des armatures longitudinale et transversale en PRF et faisant intervenir plusieurs paramètres. Le choix de paramètres pertinents permet de comprendre les mécanismes de résistance et de rupture de ce nouveau type d'éléments, et de faciliter la modélisation de leur comportement à travers des modèles analytiques simples, pouvant être utilisés par les ingénieurs-concepteurs. Le programme expérimental comprend 24 colonnes en béton avec des dimensions de 350x350x1400 mm, représentatives des colonnes d'usage dans le bâtiment. Parmi ces colonnes, une n'avait aucune armature, deux étaient entièrement renforcées avec de l'acier et les 21 colonnes restantes étaient confinées avec des armatures transversales en PRF, tandis que leur armature longitudinale était en PRF ou en acier. Plusieurs paramètres ont été étudiés, ces derniers sont liés majoritairement aux armatures transversales et à leur capacité à confiner le béton afin d'augmenter sa résistance en compression et sa déformabilité axiale (ductilité). Ainsi, deux types de cadres ont été utilisés, le premier dit "ouvert", était fait d'assemblage de parties en "C" et l'autre "fermé" découpé dans une spirale continue de forme carrée ou rectangulaire. Les armatures transversales avaient trois configurations plus ou moins complexes et qui dépendent du nombre de barres longitudinales qu'elles retiennent, leur matériau était en PRF de verre ou de carbone et différents espacements ont été utilisés. Les paramètres liés à l'armature longitudinale étaient le taux dans la section de béton ainsi que le type de matériau : des barres en PRF de verre, de carbone et en acier ont été utilisées. Les résultats des essais expérimentaux ont montré que le béton confiné avec des armatures transversales en PRF pouvait atteindre des gains significatifs en termes de résistance à la compression et en déformabilité axiale. Ces gains sont liés à la configuration et à l'espacement des armatures transversales, en effet plus ces dernières sont complexes (cadres multiples) et rapprochées, plus le gain est important. Dans certains cas, l'utilisation des PRF de carbone permet d'atteindre une plus grande résistance que dans les cas du verre. L'utilisation des cadres fermés assure aux colonnes un mode de rupture moins fragile que celui observé pour celles ayant des cadres ouverts. L'utilisation des armatures longitudinales en acier procure aux colonnes une plus grande ductilité comparativement aux barres en PRF. En ce qui concerne la modélisation et la prédiction des performances de ce nouveau type de colonnes, un modèle de confinement a été développé pour calculer la résistance à la compression du noyau de béton des colonnes confinées avec des PRF, une équation empirique permettant d'estimer la contribution des armatures longitudinales en PRF a été développée. De plus, d'autres équations ont aussi été proposées pour calculer la capacité portante des colonnes à des fins de conception, la contribution des barres longitudinales en PRF n'étant pas négligeable comme suggéré par le CSA S806.