Université Paris-Est Ecole doctorale Science, Ingénierie et Environnement THÈSE Présentée en vue d’obtenir le grade de DOCTEUR En Spécialité : Structures et Matériaux Par Mohamed Amine LAHOUAR Titre de la thèse : Tenue au feu des goujons collés dans le bois et dans le béton Soutenue le 12 décembre 2017 devant le jury composé de : Président Sébastien RÉMOND, Pr. IMT Lille Douai Rapporteur Emanuel FERRIER, Pr. Université de Lyon 1 Rapporteur Julien JUMEL, Maître de Conférences. Université de Bordeaux Directeur de thèse Jean-François CARON, Directeur de recherche. Ecole des Ponts ParisTech Encadrant Nicolas PINOTEAU, Dr. Centre Scientifique et Technique du Bâtiment Laboratoire d’accueil : Laboratoire Navier de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, équipe Mécanique des Structures Architecturées et la Direction Sécurité Structures Feu du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment Ecole Doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (SIE) ED 531 Paris-Est - 2 - Résumé Le scellement chimique est une technique d’assemblage structural permettant de connecter et d’assurer le transfert d’efforts entre deux éléments adjacents en béton, à travers le collage d’une armature en acier à l’aide d’une résine polymère. Les scellements chimiques ont été initialement utilisés dans les ouvrages en béton armé pour la rénovation, l’extension et la réparation des structures à travers l’ajout de nouvelles sections de béton aux éléments existants. L’évolution, au fil du temps, des propriétés mécaniques et des propriétés d’adhérence des résines polymères a permis d’améliorer le comportement mécanique des scellements chimiques, leur permettant d’atteindre des propriétés équivalentes ou même supérieures à celles des ancrages mécaniques classiques, à des températures normales de service. Ainsi, les scellements chimiques ont pu progressivement substituer les ancrages mécaniques classiques dans certaines applications, en proposant des solutions plus avantageuses et en offrant plus de flexibilité pour répondre aux exigences architecturales. Cependant, le comportement mécanique des scellements chimiques est principalement gouverné par celui des résines polymères, qui demeurent très sensibles à la variation de la température. Par conséquent, l’augmentation de la température au niveau des scellements chimiques présente un risque potentiel affectant leur sécurité d’utilisation. Par ailleurs, une situation d’incendie présente un danger sérieux qui doit être considéré lors du dimensionnement des scellements chimiques. Récemment, la technique des scellements chimiques, exclusivement utilisée dans les ouvrages en béton armé, a été transférée à la construction des ouvrages bois, sous l’appellation de « goujons collés ». Cette technique, originellement utilisée dans la rénovation et le renforcement des monuments historiques, est aujourd’hui employée dans la construction neuve grâce à la bonne tenue mécanique et séismique et aussi à la possibilité qu’elle offre pour réaliser des assemblages invisibles. Cependant, les goujons collés sont aujourd’hui confrontés aux mêmes problématiques que les scellements chimiques, notamment vis-à-vis l’augmentation de la température. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’évolution du comportement mécanique de ces deux systèmes d’assemblages dans le but de proposer une méthode de dimensionnement permettant d’assurer leur tenue structurale en situation d’incendie. L’étude est répartie sur quatre niveaux : i. Etude du comportement des ancrages chimiques à l’échelle des matériaux à travers des essais de caractérisation des constituants de l’ancrage, avec une focalisation particulière sur l’étude des phénomènes se produisant à haute température dans la résine polymère. ii. Etude du comportement global de l’ancrage par le biais d’essais d’arrachement à haute température, à effort constant et à température stabilisée, réalisés sur des scellements chimiques dans des cylindres en béton et des goujons collés dans des parallélépipèdes en lamellé-collé d’épicéa. iii. Etude du comportement mécanique à haute température des ancrages chimiques à l’échelle de la structure à travers la réalisation d’un essai au feu à l’échelle 1 sur une dalle en console ancrée chimiquement dans un mur en béton par 8 scellements chimiques. Les résultats de cet essai ont permis de valider la méthode de dimensionnement proposée pour prédire la durée de résistance au feu des scellements chimiques lors d’une situation d’incendie. iv. Etude théorique portant sur l’évolution de la distribution des contraintes le long de l’ancrage lors d’une variation de la température, à travers le développement d’un modèle non linéaire de cisaillement différé « Shear-lag », permettant d’obtenir les profils théoriques des contraintes pour une distribution thermique quelconque, à partir des données d’entrée expérimentales obtenues par des essais d’arrachement. Mots clés : Ancrages chimiques, scellements chimiques, goujons collés, résistance au feu, haute température, béton, bois, résine polymère, époxy, transition vitreuse, armature, tige filetée, contrainte d’adhérence, résistance en adhérence, cisaillement différé. - 3 - Fire resistance of chemical anchors in wood and concrete Abstract Post-installation of rebars is a structural joining technique allowing the connection and the load transfer between two neighboring structural elements using steel rebars and adhesive polymers. Post-installed rebars were initially used in concrete constructions in retrofitting, extension and in repairing structures by adding new concrete sections to existing elements. Over the time, the improvement in mechanical and adhesion properties of polymer adhesives have allowed to enhance the mechanical behavior of post- installed rebars and led to achieve equivalent or even higher mechanical responses than cast-in place rebars at normal operating temperatures. Thus, post-installed rebars have gradually replaced cast-in place rebars in new constructions for some applications by offering advantageous solutions and flexibility allowing meeting the high architectural requirements. However, the mechanical behavior of post-installed rebars is essentially governed by the mechanical properties of polymer resins, which remain highly sensitive to temperature variation. Consequently, the temperature increase of the post- installed rebars presents a potential risk affecting their safety use. Therefore, fire presents a serious hazard that should be considered when designing post-installed rebars. Recently, the technique of post-installed rebars, exclusively used in reinforced concrete structures, has been transferred to wood structures construction, and called "glued-in rods". This technique, initially used in the retrofitting and the reinforcement of historical monuments, is today used in new construction thanks to its good mechanical and seismic behavior in addition to the possibility it offers to make invisible connections. However, glued-in rods face the same problems as post-installed rebars, especially concerning the temperature increase. The aim of this thesis is to study the evolution of the mechanical behavior of these two connection techniques in order to suggest a design method allowing ensuring their safe use in a fire situation. The study is divided into four levels: i- Study of the behavior of chemical anchors at the scale of materials through characterization tests performed on the anchor components, with a particular emphasis on the study of phenomena occurring at high temperature in the polymer resin. ii- Study of the global behavior of chemical anchors by means of pull-out tests performed at high temperature, at constant load and at stabilized temperature, carried out on post-installed rebars in concrete cylinders and on glued-in rods in parallelepipeds of spruce glulam. iii- Study of the mechanical behavior at high temperature of chemical anchors at the scale of the structure through a full-scale fire test carried out on a cantilever concrete slab connected to a concrete wall using eight post-installed rebars. Test results were also used to validate the suggested design method to predict the fire resistance duration of post-installed rebars in a fire situation. iv- Theoretical study on the evolution of the stress distribution along the anchor during a temperature variation, through the development of a non-linear shear-lag model, allowing to obtain the theoretical stress profiles for any thermal distribution, from the experimental input data obtained by pull-out tests. Keywords: Chemical anchors, post-installed rebars, glued-in rods, fire resistance, high temperature, concrete, wood, polymer resin, epoxy, glass transition temperature, steel rebar, threaded steel rod, bond stress, bond strength, shear-lag. - 4 - Notations Grandeurs géométriques 𝒅: Diamètre de l’armature/du goujon 𝒓: Rayon de l’armature/du goujon 𝑳: Longueur du corps d’épreuve 𝒃: Largeur du corps d’épreuve 𝑳: Profondeur d’ancrage 𝑳 : Longueur de la partie libre de l’ancrage 𝟎 l : Profondeur d’ancrage critique cr 𝑨𝒔 : Section de l’armature/du goujon 𝑨𝒄 : Section du béton Grandeurs thermiques 𝜽 : Température des gaz 𝒈 𝜽 : Température extérieure 𝒆𝒙𝒕 𝜽 : Température à la surface du matériau 𝒔𝒖𝒓 𝑻 : Température de transition vitreuse de la résine polymère 𝒈 𝑻𝒈 : Température de transition vitreuse de la résine polymère à 20°C 𝟐𝟎°𝑪 𝑻𝒈 : Température de transition vitreuse du polymère complétement polymérisé ∞ 𝑪 : Chaleur spécifique du matériau 𝒑 𝝀: Conductivité thermique du matériau 𝒒̇ : Flux de chaleur convectif 𝒄𝒐𝒏 𝒉: Coefficient de transfert de chaleur par convection 𝒒̇ : Flux de chaleur radiative 𝒓𝒂𝒚 𝝈: Constante de Stephan-Boltzmann 𝜺: Emissivité du matériau Grandeurs mécaniques 𝑭: Effort axial 𝑭 : Effort axial ultime 𝒎𝒂𝒙 𝑭 : Capacité résistante de l’ancrage 𝒕 𝑬 : Module d’Young de l’acier 𝒔 𝑬 : Module d’Young du béton 𝒄 𝑮: Module de Coulomb Coefficient de Poisson 𝝆: Masse volumique du matériau 𝜹: Glissement de l’ancrage 𝜹 : Déplacement imposé au début de l’ancrage 𝒊𝒎𝒑𝒐𝒔𝒆𝒅 𝐔𝐬(𝐱): Déplacement axial de l’armature/du goujon 𝐔𝐜(𝐱): Déplacement axial du béton V: Déplacement induit par le cisaillement du joint de colle ∆𝑳 : Déplacement moyen mesuré par les capteurs LVDT 𝑳𝑽𝑫𝑻 ∆𝑳 : Elongation élastique de l’acier 𝒆 𝜺𝒔 : Déformation de l’acier 𝜺𝒄 : Déformation du béton 𝝈𝒔 : Contrainte axiale dans l’acier - 5 - 𝝈𝒄 : Contrainte axiale dans le béton 𝝉: Contrainte d’adhérence moyenne 𝝉 (𝜽): Résistance en adhérence à la température 𝜃 𝒎𝒂𝒙 𝒇 : Contrainte d’adhérence requise 𝒃𝒎,𝒓𝒒𝒅 𝒇 (𝜽): Contrainte d’adhérence à la température 𝜃 𝒃𝒅 𝒇 (𝜽): Résistance en adhérence moyenne à la température 𝜃 𝒃𝒎 𝒇 : Contrainte d’adhérence à 20°C 𝒃𝒅(𝟐𝟎°𝑪) 𝒇 : Contrainte en adhérence mesurée par essais d’arrachement 𝒃,𝒕𝒆𝒔𝒕 𝝈 : Résistance ultime en traction 𝒖𝒕𝒔 𝝈 : Limite élastique 𝒚 tan δ : Décalage entre le module de stockage et le module de dissipation λ, γ : Paramètres de l’ancrage Divers 𝒕 : Durée d’exposition au feu 𝒂,𝒃: Constantes d’approximation exponentielle A, B, C et D : Constantes d’intégration 𝒌 (𝜽): Facteur de réduction 𝒇𝒊 𝜸 : Facteur de sécurité lié au matériau en situation d’incendie 𝑴,𝒇𝒊 ∆𝑯 : Enthalpie totale de polymérisation 𝒕 ∆𝑯 : Enthalpie résiduelle 𝒓 𝜶: Degré de réticulation du polymère - 6 - Table des matières Introduction générale ............................................................................................................................. 15 Partie 1 Etude bibliographique ......................................................................................................... 19 Chapitre 1 Systèmes d’ancrages chimiques : Scellements chimiques et goujons collés ............... 20 1.1. Description des ancrages chimiques .................................................................................. 20 1.1.1. Scellements chimiques .............................................................................................. 20 1.1.2. Goujons collés ........................................................................................................... 23 Chapitre 2 Comportement à haute température des matériaux de l’étude ..................................... 27 2.1. Béton ................................................................................................................................. 27 2.1.1. Informations générales sur le béton ........................................................................... 27 2.1.2. Transformations physicochimiques sous l’effet de la température ........................... 28 2.1.3. Dilatation thermique du béton ................................................................................... 28 2.1.4. Effet de la température sur les propriétés mécaniques du béton ............................... 29 2.1.5. Ecaillage du béton ..................................................................................................... 30 2.2. Bois .................................................................................................................................... 30 2.2.1. Anatomie du bois ....................................................................................................... 30 2.2.2. Orientations du bois ................................................................................................... 32 2.2.3. Dégradation thermo-physique du bois : La combustion ............................................ 32 2.3. Acier .................................................................................................................................. 34 2.3.1. Types d’acier ............................................................................................................. 34 2.3.2. Comportement mécanique à température ambiante .................................................. 35 2.3.3. Comportement mécanique à haute température ........................................................ 35 2.4. Résine ................................................................................................................................ 36 2.4.1. Généralités sur les résines structurales ...................................................................... 36 2.4.2. Les résines époxydes ................................................................................................. 37 2.4.3. Postcure de la résine .................................................................................................. 38 2.4.4. Transition vitreuse ..................................................................................................... 38 2.4.5. Effet de la température sur le comportement mécanique des résines époxydes ........ 39 2.4.6. Fluage de la résine ..................................................................................................... 39 - 7 - Partie 2 Investigation expérimentale de la tenue au feu des scellements chimiques dans le béton et des goujons collés dans le bois ........................................................................................................ 41 Introduction de la deuxième partie .................................................................................................... 42 Chapitre 3 Influence de la température sur le comportement mécanique des scellements chimiques dans le béton et identification des facteurs responsables de la dégradation de leur résistance au feu45 3.1. Introduction ............................................................................................................................ 49 3.2. Materials and experimental procedure ................................................................................... 51 3.2.1. Specimen ......................................................................................................................... 51 3.2.2. Temperature effects on physical and chemical properties of the resin ............................ 53 3.2.2.1. Thermo-Gravimetric analysis (TGA) ....................................................................... 53 3.2.2.2. Differential Scanning Calorimetric test (DSC) ........................................................ 53 3.2.3. pull-out test procedures ................................................................................................... 56 3.2.4. Heating device ................................................................................................................. 57 3.2.5. Acquisition and control ................................................................................................... 57 3.2.6. Shear stress ...................................................................................................................... 57 3.3. Results and discussion ............................................................................................................ 58 3.3.1. Temperature effects on bond resistance .......................................................................... 58 3.3.1.1. Pull-out tests at stabilized temperature ..................................................................... 59 3.3.1.2. Pull-out tests at constant load ................................................................................... 60 3.3.1.3. Results comparison between the two test procedures .............................................. 61 3.3.2. Temperature effects on the anchor stiffness .................................................................... 62 3.3.3. Temperature influence on failure modes ......................................................................... 65 3.3.4. Incompatibility of anchor displacements in the current design method .......................... 67 3.4. Conclusion .............................................................................................................................. 70 Chapitre 4 Influence de la température et de l’orientation du fil sur le comportement mécanique des goujons collés dans le bois .......................................................................................................... 72 4.1. Introduction ............................................................................................................................ 78 4.2. Materials and methods ............................................................................................................ 81 4.2.1. Materials .......................................................................................................................... 81 4.2.1.1. Timber and steel rods ............................................................................................... 81 4.2.1.2. Epoxy adhesive ......................................................................................................... 81 a) DSC characterizations ............................................................................................... 81 b) DMA characterization ............................................................................................... 84 c) Quasi-static tensile tests at elevated temperature ...................................................... 86 4.2.2. Geometry and fabrication of GiR specimens .................................................................. 87 4.2.3. Experimental setup and instrumentation for GiR characterization .................................. 89 4.2.4. Pull-out tests at high temperature .................................................................................... 90 4.3. Results and discussion ............................................................................................................ 90 - 8 - 4.3.1. Mechanical behavior of GiRs at room temperature ......................................................... 90 4.3.2. Mechanical behavior at high temperature of GiRs set parallel to the wood grain ........... 92 4.3.2.1. Pull-out tests at stabilized temperature ..................................................................... 92 4.3.2.2. Pull-out tests at constant load ................................................................................... 95 4.3.2.3. Comparison between the two test procedures .......................................................... 96 4.3.3. Mechanical behavior at high temperature of GiRs set perpendicular to the wood grain . 97 4.3.4. Influence of temperature on GiRs failure mode (in configuration parallel to the grain) . 98 4.4. Conclusion ............................................................................................................................ 100 Chapitre 5 Etude du comportement au feu des ancrages chimiques à l’échelle de la structure et validation de la méthode de dimensionnement ............................................................................... 101 5.1. Introduction .......................................................................................................................... 105 5.2. Fire design method description ............................................................................................ 107 5.3. Test Specimen set-up and design method application .......................................................... 109 5.3.1. Test specimen conception .............................................................................................. 109 5.3.2. Design method application ............................................................................................ 111 5.3.2.1. Quantification of the applied tensile load F ........................................................ 111 app 5.3.2.2. Calculation of temperature profiles (θ(x,t)) ........................................................... 112 5.3.2.3. Bond strength – Temperature relationship (𝝉 (θ)) ............................................ 113 𝒎𝒂𝒙 5.3.2.4. Bearing capacity evolution and time of collapse prediction ................................... 114 5.3.3 Metrology ....................................................................................................................... 115 5.3.3.1. Temperature measurements .................................................................................... 115 5.3.3.2. Displacement measurements .................................................................................. 116 5.3.3.3. Slab rotation measurements .................................................................................... 117 5.3.3.4. Wall/slab interface displacement ............................................................................ 117 5.4. Results and discussion .......................................................................................................... 118 5.4.1. Experimental observations ............................................................................................ 118 5.4.2. Thermal distribution analysis ........................................................................................ 118 5.4.3. Slab displacement analysis ............................................................................................ 121 5.4.4. Slab rotation analysis ..................................................................................................... 123 5.4.5. Invar bars displacement ................................................................................................. 124 5.4.6. Fracture interface analysis ............................................................................................. 126 5.5. Conclusion ............................................................................................................................ 126 Conclusion de la partie 2 ................................................................................................................. 128 - 9 - Partie 3 Modélisation de la distribution des contraintes le long des ancrages chimiques en situation d’incendie ........................................................................................................................... 131 Introduction de la troisième partie ................................................................................................... 132 Chapitre 6 Etude de la répartition des contraintes et prédiction du temps de ruine des ancrages chimiques en situation d’incendie par un modèle shear-lag non linéaire ........................................ 134 6.1. Introduction .......................................................................................................................... 137 6.2. Shear-lag model adapted to the mechanical problem of chemical anchors .......................... 139 6.2.1. Model assumptions and notions .................................................................................... 139 6.2.2. Constitutive equations ................................................................................................... 140 6.2.3. Bond stress-anchor slip relationship .............................................................................. 141 6.3. Case of a uniform temperature distribution .......................................................................... 142 6.3.1 Analytical approach ........................................................................................................ 143 6.3.2. Analytical approach with imposed displacement mode ................................................ 145 6.3.3. Numerical discretization ................................................................................................ 145 6.3.4. Temperature effect on the stress distribution profile ..................................................... 148 6.4. Case of a non-uniform temperature distribution ................................................................... 150 6.5. Model validation and comparison with the simplified integration resistance method ......... 156 6.6. Conclusion ............................................................................................................................ 158 Conclusion générale et perspectives................................................................................................. 160 Annexe 1 : Dimensionnement au feu des scellements chimiques selon le (EOTA EAD 330087-00-0601, 2015) .................................................................................................................................................... 164 Annexe 2 : Analyse Thermogravimétrique couplée à une spectrométrie de masse effectuée sur la résine étudiée dans le chapitre 3 .................................................................................................................... 167 Annexe 3 : Evaluation de la résistance au feu des structures .............................................................. 172 Références ........................................................................................................................................... 175 - 10 -