REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’enseignement supérieur et de recherche scientifique UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE No d’ordre :……….. Faculté des sciences de l’ingénieur Département de génie civil Mémoire de magister en génie civil Option : Mécanique des structures Préparé par : Melle BELOUNIS Radia Ingénieur en génie civil Intitulé du mémoire : ETUDE DE LA PERFORMANCE DES POTEAUX MIXTES ACIER-BETON SOUS DIFFERENTES SOLLICITATIONS. Soutenue le :23/04/2008 Devant le jury de soutenance : Président : Mr. HOUARI H. Professeur U.M. Constantine Rapporteur : Mr. MIMOUNE M. Professeur U.M. Constantine Examinateurs : Mr. BELOUAR A. Maître de conférence U.M. Constantine Mr. DJEBBAR N. Maître de conférence U.M. Constantine Remerciements Ce travail a été effectué au Laboratoire de Mécanique des Sols et des Structures (L.M.S.S)du département de GENIE CIVIL à l’université MENTOURI de CONSTANTINE. Grâce à dieu, aux personnes qui m’ont soutenu et qui ne sont autres que mes enseignants, ce travail a pu avoir le jour. Comme guise de reconnaissance, j’adresse mes sincères remerciements, mon grand respect et ma noble gratitude à mon encadreur Mr M.MIMOUNE, Professeur à l’université Mentouri Constantine pour son aide, ses encouragements et à l’aide précieuse qu’il m’a apporté en faisant profiter largement des ses connaissances. Je ne serais oublier sa constante disponibilité. Mes remerciements vont également à mes enseignants : Madame MIMOUNE F.Z, Professeur à l’université Mentouri Constantine, Monsieur HOUARI H, Professeur à l’université Mentouri Constantine, Monsieur TEKKOUK A, Docteur à l’université Mentouri Constantine, Monsieur BOUMEKKIK A, Professeur à l’université Mentouri Constantine, Monsieur KHALFELLAH S, Maître de conférences à l’université de Jijel, Docteur BOUSALEM B, Maître de conférences à l’université Mentouri Constantine. Ma sincère reconnaissance va au Professeur HOUARI HACENE, pour m’avoir fait l’honneur d’être le président de mon jury de soutenance. J’adresse mes sincères remerciements à messieurs les membres de jury : - Mr BELOUAAR AHMED - Mr DJEBBAR NABIL Pour l’intérêt bienveillant qu’ils ont accordé à ce travail. Je voudrais encore une fois leur exprimer ma profonde gratitude. Je tiens à remercier tous ceux qui, d’une manière ou d’une autre, ont participé à la réalisation de ce travail. I Table de matières : REMERCIEMENTS………………………………………………………………………...I RESUME……………………………………………………………………………………II ABSTRACT ……………………………………………………………………………….III INTRODUCTION GENERALE : 1. Introduction ……………………………………………………………………………….1 2. Objectif…………………………………………………………………………….............2 3. Organisation du mémoire………………………………………………………………….2 CHAPITRE 1: INTRODUCTION A LA CONSTRUCTION MIXTE DES BATIMENT 1.1 Généralités……………………………………………………………………………….3 1.2 Raisons D'utiliser Des Structures Mixtes ………………………………………………..4 1.2.1 Aspects Architecturaux………………………………………………………..…4 1.2.2 Aspects Economiques ……………………………………………………………4 1.2.3 Fonctionnalité ……………………………………………………………………5 1.2.4 Equipements Et Utilisation Flexible Du Bâtiment……………………………….5 1.2.5 Assemblage ………………………………………………………………………5 1.3 Eléments De Construction………………………………………………………………..6 1.3.1 Les Poutres Mixtes ………………………………………………………………7 1.3.2 Les Dalles Mixtes…………………………………………………………………7 1.3.3 Les Poteaux Mixtes………………………………………………………………..7 1.4 Matériaux Utilisés Dans Un Elément Mixte………………………………………………8 1.5 Comparaison Avec D'autres Méthodes …………………………………………………...8 1.6 Conclusions ……………………………………………………………………………….9 CHAPITRE 2 : CALCUL DES POTEAUX MIXTES SELON L’EC4 2.1 Introduction ………………………………………………………………………………10 2.2 Méthodes De Calcul………………………………………………………………………11 2.2.1 Voilement Local Des Eléments Structuraux En Acier……………………………11 2.2.2 Conditions D'utilisation De La Méthode Simplifiée De Calcul…………………..12 2.2.3 Poteaux Mixtes Soumis A Compression Axiale………………………………….13 2.2.3.1 Résistance De La Section…………………………………………………13 2.2.3.2 Elancement Réduit………………………………………………………...14 2.2.3.3 Résistance Au Flambement………………………………………………..16 2.2.4 Poteaux Mixtes Soumis A Compression Axiale Et Flexion……………………....17 2.2.4.1 Résistance De La Section Sous Moment De Flexion Et Effort Normal………...17 2.2.4.2 Amplification De Second Ordre Des Moments De Flexion……………………..20 2.2.5 Résistance D’un Poteau Mixte Sous Compression Accompagnée De Flexion Mono-Axiale………………………………………………...21 2.2.6 Résistance D’un Poteau Mixte Sous Compression Accompagnée De Flexion Bi-Axiale…………………………………………………….22 2.3Conclusions…………………………………………………………………………………24 CHAPITRE 3 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 3.1 Introduction……………………………………………………………………………… ..25 3.2 Poteaux Courts…………………………………………………………………………….25 3.2.1 Diagramme D'interaction ……………………………………………………….....26 3.2.2 Eléments Axialement Chargé……………………………………………………..26 3.3 Poteaux Elancés……………………………………………………………………………26 3.4 Études Expérimentales ……………………………………………………………………27 3.4.1 Poteaux Mixtes Remplis De Béton……………………………………………......27 3.4.2 Poteaux Mixtes Enrobés De Béton ………………………………………………..29 3.5 Effets De L’élancement …………………………………………………………………..30 3.6 Effets De Chargement, Et De Sollicitations Extérieurs……………………………………30 3.7 Matériaux Utilisés………………………………………………………………………. ...32 3.7.1 Tube En Acier………………………………………………………………………32 3.7.2 Béton ……………………………………………………………………………….32 3.7.2.1 Béton Léger (Béton De Pouzzolane)……………………………………...32 3.7.2.2 Béton De Haute Résistance……………………………………………… 32 3.7.2.3 Béton Renforcé De Fibre (FRC) ………………………………………….33 3.8 Modes De Rupture……………………………………………………………………… ....33 3.9 Comparaison Avec Les Poteaux Métalliques………………………………………… …...35 3.10 Codes De Conception………………………………………………………………………36 3.10.1 Le Code Américain Du Béton Armé (ACI 318-89)…………………………. ….36 3.10.2 Le Code Américain Des Structures Métalliques (AISC-LRFD)……………… …36 3.10.3 Le Code Japonnais (AIJ) ………………………………………………………….37 3.10.4 Le Code Britannique Bs5400-Partie 5 …………………………….. …….. ….. .37 3.10.5 Code Européen EC4 …………………………………………………………….37 3.10.6 Comparaison Entre Les Codes De Conception………………………………….. .38 3.11 Sections Mixtes ………………………………………………………………………......38 3.12 Conclusion ………………………………………………………………………………..42 CHAPITRE 4 : ANALYSE DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES POTEAUX TUBULAIRES REMPLIS DE BETON 4.1 Introduction ………………………………………………………………………………..43 4.2 Comportement Mécanique Des Matériaux ………………………………………………..43 4.2.1 Comportement De L'acier……………………………………………………….....43 4.2.1.1 Flambement Du Poteau………………………………………………….....44 4.2.1.2 Équation De Calcul Pour Le Flambement………………………………. ..46 4.2.1.3 Voilement Des Sections Minces …………………………………………...46 4.2.2 Comportement Du Béton………………………………………………………...…48 4.2.2.1 Confinement ……………………………………………………………......49 4.2.2.2 Effet Du Béton Sur L'acier………………………………………………. ...50 4.2.3 Interaction Entre Le Noyau Béton Et Le Tube En Acier……………………….......53 4.2.3.1 Mécanismes De Transfert De Charge ………………………………………53 4.2.3.2 Implication De L'application De La Charge Pour Le Comportement Mécanique……………………………………………………………………….. …54 4.2.3.3 Résistance Résiduelle En Cas De Rupture De Cisaillement Plane……... …55 4.3 Propriétés Mécaniques De L’acier En Traction Et, En Compression…………………… …56 4.4 Mécanismes De Transfert De Cisaillement……………………………………………… …57 4.4.1 Adhérence……………………………………………………………………………57 4.4.2 Contact D'interface…………………………………………………………………..58 4.5 Résistance Au Cisaillement Contrainte D’adhérence……………………………………….58 4.6 Conclusion ………………………………………………………………………………….60 CHAPITRE 5: CALCUL DES POTEAUX MIXTES TUBULAIRE REMPLIS DE BETON SOUS COMPRESSION, ET SOUS FLEXION –COMPRESSION COMBINEES. 5.1 Introduction……………………………………………………………………………… 61 5.2 Hypothèses De Calcul ……………………………………………………………………61 5.3 Caractéristiques Des Matériaux ………………………………………………………….62 5.3.1 Béton …………………………………………………………………………….62 5.3.2 Aciers D'armature……………………………………………………………….. 63 5.3.3 Acier De Construction …………………………………………………………...63 5.4 Programme De Calcul………………………………………………………………..…. 64 5.5 Confrontation Des Résultats Numériques Du Programme………………………………68 5.6 Etude Comparative ………………………………………………………………………72 5.6.1 Comparaison Avec Les Essais De Zhong T, Lin Hai.H, Zhi Bin.W……………..72 5.6.2 Comparaison Avec Les Essais De M.Mouli, Et H. Khelafi……………………... 73 5.7 Etude Paramétrique……………………………………………………………………… 75 5.7.1 Poteau De Section Rectangulaire, Et Carrée Sollicité En Compression Axiale... .75 5.7.1.1 L’effort Normal Critique …………………………………………………75 5.7.1.2 Influence De La Section Du Poteau ……………………………………...76 5.7.1.3 Influence De La Quantité D’armature Longitudinale…………………... .78 5.7.1.4 Influence De La Nuance De L’acier De Construction …………………. .79 5.7.1.5 Influence Des Classes De Résistance Du Béton……………………….. ...81 5.7.1.6 Influence De La Limite Elastique De L’acier Des Armatures……………82 5.7.1.7 Influence De La Variation Du Nombre De Barre D’armatures…………..84 5.7.2 Poteaux Circulaire Sollicité En Compression Axiale …………………………….86 5.7.2.1 Influence De La Section Du Poteau…………………………………86 5.7.2.2 Influence De La Quantité D’armatures Longitudinales …………….89 5.7.2.3 Influence De La Nuance De L’acier De Construction………………90 5.7.2.4 Influence De La Classe De Résistance Du Béton……………………91 5.7.2.5 Influence De La Nuance De L’acier Des Armatures ………………..93 5.7.2.6 Influence Du Nombre De Barres D’armature ……………………….94 5.7.2.7 L’effet De L’excentricité …………………………………………….96 5.7.2.8 L’effet De nu1, et nu2 ………………………………………………………97 5.7.3 Poteau De Section Rectangulaire Sollicités En Compression, Et Flexion Combinées................................................................................................................... …99 5.7.3.1 Courbes D’interaction M-N D’un Poteau Rectangulaire……………..99 5.7.3.2 L’effet De La Présence Des Armatures Sur L’interaction M-N…….100 5.7.3.3 L’effet De La Nuance D’acier Sur L’interaction M-N …………….101 5.7.3.4 L’effet De La Quantité D’armature Et La Nuance D’acier De Construction…………………………………………………………………102 5.7.3.5 L’effet De La Longueur De Flambement Sur L’interaction M-N……………………………………………………….......103 5.7.4 Poteau De Section Circulaire Sous Compression-Flexion Combinées …………………………………………………………………………….105 5.7.4.1 Courbes D’interaction M-N D’un Poteau Circulaire……………......105 5.7.4.2 L’effet de la longueur du flambement du poteau …………………...106 5.7.4.3 L’effet De La Quantité D’armature ………………………………....106 5.8 Intérêt D’utilisation Des Poteaux Mixtes Acier-Béton …………………………………...108 5.9 Abaques De Calcul De La Résistance Des Poteaux Mixtes………………………………111 5.9.1 Mode D’emploi Des Abaques …………………………………………………………..111 5.10 Conclusion ………………………………………………………………………………117 CONCLUSION GENERALE………………………………………………………………...118 ANNEXES….…………………………………………………………………………………120 INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE 1. Introduction : Dans les deux dernières décennies, le développement et l'application des sections mixtes a considérablement augmenté dans le monde entier. L’élément mixte est utilisé non seulement aux structures offshores et aux ponts, mais également aux gratte-ciel et aux grands ouvrages. Dans la conception des bâtiments aujourd'hui, de grands efforts ont été fournis pour augmenter la flexibilité de la structure. Ceci a eu comme conséquence une demande de poteaux avec une section transversale réduite. L’augmentation de la résistance à la compression du béton permet l’utilisation de petites sections transversales du poteau, qui exige moins de matériau, ce qui réduit son poids propre et permet une surface au sol plus utilisable. Cependant, un des soucis principaux liés aux poteaux en béton armé est la fourniture des armatures transversales suffisant afin de confiner le béton comprimé, et de ce fait, il y aura un écrasement et une rupture fragile. On a montré que les poteaux mixtes se composant de tubes en acier remplis de béton, offrent une solution très concurrentielle aux poteaux en béton armé conventionnels. Depuis le tube en acier confine le noyau de béton entier, il peut être employé en tant qu'armature longitudinale et latérale aussi bien qu'un coffrage permanant pendant la construction des éléments en béton. Les poteaux mixtes tubulaires remplis de béton sont devenus de plus en plus populaires dans les applications structurelles dans le monde. C'est dû à leur haute résistance, aussi bien qu’aux autres propriétés telles que la ductilité élevée, et la capacité portante. Bien que le risque d'un tremblement de terre important en quelques pays soit petit, ce type de poteau peut offrir beaucoup d'autres avantages, par exemple la rapidité de la construction, aspects de sécurité, et utilisation possible des assemblages normalisés simples. On peut indiquer qu’un, poteau mixte fournit les économies d'un poteau en béton avec la rapidité de la construction d'un poteau en acier, ayant pour résultat des économies significatives dans la structure globale d'un projet de construction. 1 INTRODUCTION GENERALE 2. Objectif : Le but principal de ce travail est de déterminer la résistance des poteaux tubulaires en acier remplis de béton. Afin de réaliser ceci, des travaux expérimentaux et des analyses non- linéaires par éléments finis ont été employés pour les comparer avec la résistance théorique du poteau mixte issue du calcul numérique par le programme développé. En l’ensemble ils peuvent devenir un outil très puissant en gagnant une meilleure compréhension de la résistance des poteaux mixtes. La partie principale du travail est prévue pour clarifier la performance des colonnes mixtes acier-béton : comment les matériaux agissent comme un corps solidarisé, en donnant une résistance plus élevée que celles des matériaux de composition, chacun dans son domaine. Ce mémoire traite seulement les sections en acier creuses rectangulaires, carrés, et circulaires remplies de béton. 3. Organisation du mémoire : Ce mémoire se compose d'une partie d'introduction générale et de cinq chapitres suivit de conclusions et recommandations. Le Chapitre 1 donne les informations générales sur la construction mixte, ces avantages et ces inconvénients dans le domaine du bâtiment, alors que le 2èmeChapitre traite la méthode simplifiée du calcul des poteaux mixtes proposée par l’EC4. Le Chapitre 3, est consacré à une étude bibliographique sur le comportement des poteaux mixtes. Dans le Chapitre 4, le comportement mécanique du béton et de l'acier est discuté, relié à leur fonction dans un poteau de section creuse remplie de béton. De plus, le transfert d'effort de cisaillement des mécanismes à l'interface entre le béton et l'acier est présenté. Les principaux facteurs comme l’effet de confinement, les modes de rupture,et les effets de l'élancement sont aussi traités. En chapitre 5, une description de l'outil de calcul utilisé y est aussi effectuée ainsi que les limitations et les hypothèses de calcul, les courbes obtenus par le calcul ont été bien discutées. Finalement, le mémoire se termine par les conclusions et recommandations concernant la portée de ce travail. 2 CHAPITRE1 INTRODUCTION A LA CONSTRUCTION MIXTE DES BATIMENTS INTRODUCTION A LA CONSTRUCTION MIXTE DES BATIMENT 1.1 GENERALITES : L'association de l'acier et du béton est la combinaison de matériaux de construction la plus fréquemment rencontrée tant dans les bâtiments que dans les ponts. Bien que de nature franchement différente, ces deux matériaux sont complémentaires: • Le béton résiste en compression et l'acier en traction. • Les éléments métalliques sont relativement élancés et sujets au voilement, le béton peut empêcher le voilement. • Le béton assure à l'acier une protection contre la corrosion et une isolation thermique aux températures élevées. • L'acier permet de rendre la structure ductile. Le dimensionnement des structures de bâtiments et de ponts est dominé principalement par la réalisation et le support de surfaces horizontales. Dans les bâtiments, les planchers sont généralement réalisés en béton armé par des armatures en acier résister à la traction. Cependant lorsque les portées augmentent, il est plus économique de supporter la dalle, par exemple par des poutres, plutôt que d'épaissir le plancher. Dans les structures de bâtiment, le grillage de poutres est soutenu à son tour par des poteaux. Les poutres et les poteaux peuvent être réalisées en utilisant des sections acier, généralement des profilés laminés en I et en H respectivement. Il était usuel de dimensionner l'ossature métallique pour reprendre seule l'ensemble des charges, mais depuis les années 50, il est devenu de plus en plus courant de connecter les dalles de béton aux poutres les supportant à l'aide de moyens mécaniques. Ces derniers éliminent ou du moins réduisent le glissement à l'interface acier béton de telle façon que la dalle et la poutre métallique agissent ensemble comme un élément unique, communément appelé « poutre mixte ». Pratiquement, la connexion est assurée par des goujons à tête ou d'autres connecteurs qui sont soudés ou fixés par pistolet à l'acier structurel et ceinturé par le béton. Les éléments mixtes que sont les poutres mixtes, les poteaux mixtes et les dalles mixtes avec tôle profilée sont utilisés depuis de nombreuses années. Des hypothèses simplificatrices sur l'interaction entre l'acier structurel et la dalle de béton ont permis de considérer la construction mixte comme une simple extension de la construction métallique. L'application de cette 3 CHAPITRE1 INTRODUCTION A LA CONSTRUCTION MIXTE DES BATIMENTS technologie ayant montré son efficacité, des projets de recherche à grande échelle ont démarré à l'échelle mondiale en vue d'améliorer les connaissances. 1.2 Raisons d'utiliser des structures mixtes : Tout dimensionnement doit non seulement prendre en compte l'optimisation de la résistance aux charges, de la raideur et de la ductilité mais également les aspects architecturaux, économiques, de fabrication et d'utilisation des poutres, dalles et poteaux. 1.2.1 Aspects architecturaux : Les structures mixtes permettent de nombreuses variations architecturales pour combiner les différents types d'éléments mixtes. En plus de réduire les dimensions des poutres, la construction mixte permet • des portées plus importantes • des dalles plus minces • des poteaux plus élancés et offre une grande flexibilité et de nombreuses possibilités lors de la conception. 1.2.2 Aspects économiques : L'intérêt économique des structures mixtes provient de dimensions plus réduites (la rigidité plus élevée entraîne des flèches plus faibles, des portées plus grandes et des hauteurs totales plus faibles) et d'une construction plus rapide. Les rapports portée sur hauteur (l/h=35) des poutres sont faibles et peuvent présenter plusieurs avantages: • La réduction des hauteurs permet de réduire la hauteur totale du bâtiment et permet dès lors une diminution de la surface de couverture • Les portées plus grandes pour des hauteurs identiques (par rapport aux autres méthodes de construction) permettent de libérer des poteaux les pièces qui offrent alors plus de flexibilité • Pour une même hauteur totale de bâtiment, celui-ci peut présenter plus d'étages. • économie de coûts suite à la réalisation plus rapide du bâtiment • coûts de financement plus faibles • prêt à l'emploi plus rapidement et donc revenu d'utilisation plus élevé 4