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Conception et calcul des structures en BFUP 14/06/2005 - 1

Conception et calcul de structures en BFUPSébastien Brisard


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Plan de la présentation

• Généralités – un bref historique (matériaux, réalisations) – le groupe de travail sur les BFUP – les recommandations Sétra-AFGC

• Méthodes de dimensionnement – définition d’un BFUP – caractéristiques mécaniques – lois de comportement – méthodes de dimensionnement (… en annexe)


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Les premiers BFUP…

• … ne sont pas français, mais Danois (1970environ),

• BPR (Bouygues, 1990) est l’ancêtre direct desBFUP actuels,

• il existe des matériaux « exotiques » (CRC,compact reinforced concrete) : 20 %d’armatures, 6% de fibres !!!


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Obtention d’un BFUP

• eau / liant inférieur à 0.2,

• dosage volumique en fibres supérieur à 2 %,

• granulats sélectionnés avec soin,

• utilisation de superplastifiants (le matériau est engénéral autoplaçant).


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Coupe d’un BFUP


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Matériaux disponibles sur le marché français(premix)• Ductal® : Bouygues, Lafarge, Rhodia,

• BSI® / Ceracem : Eiffage TP, SIKA,

• BCV : Vinci Construction, Vicat,

• Cemtec Multiscale® : LCPC.


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Comparaison des divers matériaux

20 2/3 + 13 1/31320Lf [mm]

2.0 %2.5 %f [% vol.]

0.3 [mm]

2-3 mm0 mmDmax [mm]

888.8bt [MPa]

150165f c28 [MPa]

BCVDuctalBSI (Millau)


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Exemples de réalisations

Il est trop tôt pour parler de domained’emploi…


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Poutrelles de Cattenom et Civaux (BSI® etDuctal®)


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Ponts de Bourg-lés-Valence (BSI®)


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Passerelle de Sherbrooke (BPR)


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Passerelle de Séoul (Ductal®)


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Auvent de la barrière de péage du viaduc de Millau(BSI®)


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Assez de prototypes…

… vers un emploi systématique ?


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Passerelle de Papatoetoe (NZ) – Ductal®


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Bipoutre mixte acier-BFUP


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Le domaine d’emploi du BFUP est-il le géniecivil ?


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Mobilier urbain en Ductal® - Salon du meubleParis 2005 – Cabinet Maas


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Autres applications

• Bacs à arbres (!) métallisés en BSI® : ville deMarseille

• Habillage décoratif (DUCTAL®) : gare de

Monaco• Corniches préfabriquées

• Œuvres d’art… produits à forte valeur ajoutée !!!


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Les recommandations Sétra-AFGC

Fruit de la collaboration du Groupe deTravail sur les BFUP

http://hosting.mayeticvillage.fr/Quickplace/setra-bfup/Main.nsf/


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Le groupe de travail sur les BFUP

• créé en 1999 afin de publier desrecommandations

• environ 30 membres

Aujourd’hui, le groupe existe toujours :• veille technique• retour d’expérience sur l’utilisation du matériau

et du document• activité internationale


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Les recommandations Sétra-AFGC

• publiées en 2002

• continuent à faire référence au-delà de nosfrontières

• constituent un ensemble de règles directement

utilisables par le concepteur


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Transition BHP - BFUP

• Certaines propriétés mécaniques changentradicalement (fragilité en compression)

• Tous les BFUP sont différents : il n’est paspossible de donner des formules générales sur les propriétés mécaniques : nécessité derecourir à des essais

• Prise en compte de la résistance à la traction :nécessité de mettre au point de nouvelles règlesde calcul


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« Philosophie » de la conception d’une structureen BFUP• Le but est de se dispenser d’armatures passives

• Efforts « primaires » : – BFUP (matrice cimentaire),

– précontrainte,

• Efforts « secondaires » : BFUP seul (prise en

compte du comportement post-fissuration).


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Plan des recommandations

Trois parties (+ annexes) :

• PARTIE 1 Comportement et caractéristiquesmécaniques des BFUP

• PARTIE 2 Méthodes de dimensionnement desstructures

• PARTIE 3 Durabilité des BFUP


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Comportement et caractéristiques mécaniquesdes BFUP


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Influence du traitement thermique (TT)

Les éléments sont portés à une températureélevée (environ 90°) plusieurs heures après laprise du béton.

• atteinte plus rapide des résistances en tractionet compression,• diminution importante des effets différés (retrait

et fluage),• amélioration des propriétés de durabilité.


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Définition d’un BFUP (1/2)

« Par bétons fibrés à ultra hautes performances,on entend des matériaux à matrice cimentaire,de résistance caractéristique à la compressionsupérieure à 150 MPa, et pouvant aller jusqu'à

250 MPa. Ces matériaux sont additionnés defibres métalliques en vue d'obtenir uncomportement ductile en traction et des'affranchir si possible d'armatures passives. Ils peuvent également comporter des fibres polymères. […]


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Définition d’un BFUP (2/2)

[…] Les BFUP se distinguent des bétons à hauteset très hautes performances :

• par leur résistance en compressionsystématiquement supérieure à 150 MPa,

• par l'emploi systématique de fibres, qui assurent la non-fragilité du matériau et modifient lerecours classique aux armatures actives ou

passives,• par leur fort dosage en liant et la sélection particulière dont les granulats font l'objet. »


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Quelques valeurs typiques…

E 55 GPa 0.2

1.1 10-5

m/m/K

0.8 (sans TT) ou 0.2 (avec TT)

r 5.5 10 -4


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Loi de comportement d’un BFUP

Détermination expérimentale


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Allure générale

Ouverture de la fissure

Déformation élastique


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Résistance en compression

• Mesurée par écrasement d’une éprouvettecylindrique :

7 cm × 14 cmou

11 cm × 22 cm

• Nécessairement :f c28 150 MPa


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Résistance à la traction de la matricecimentaire


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Résistance à la traction de la matrice cimentaire

• Plusieurs méthodes : – traction directe : pénalisant, et peu représentatif – flexion quatre points

• Traitement statistique des résultats (Student)pour obtenir une valeur caractéristique

• Typiquement :f t28 7 MPa


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Flexion 4 points ?


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• Eprouvettes de section

carrée :7 × 7 × 28

10 × 10 × 40

14 × 14 × 5620 × 20 × 80

• Q* correspond à la pertede linéarité


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• Résistance à la traction par flexion (analyselinéaire élastique, avec a = b = h) :

• Correction de l’effet d’échelle (formule CEB-FIP,h0 = 100 mm)


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Loi de comportement post-fissuration

Cas des plaques minces


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Plaques minces ?

• Orientation privilégiée des fibres :

e 3 × Lf

e : épaisseur

Lf : longueur des fibres

• Elancement mécanique :

L 50 × eL : portée


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Loi de comportement post-fissuration des dallesmincesMicro-fissuration, très

répartie :• essai par flexion 4 points• loi - eq


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Loi de comportement post-fissuration

Cas des plaques épaisses et poutres


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Loi de comportement post-fissuration des plaquesépaisses et poutres Apparition de quelques

macro-fissures :

• essai par flexion 3 pointssur éprouvette entaillée

• loi -w (méthode inverse)


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Flexion 3 points ?


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Conclusion, perspectives


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Les recommandations…

• … constituent un ensemble cohérent de règles

de dimensionnement, adapté à ce matériau trèsparticulier,

• elles ont été utilisées avec succés en France, età l’étranger (auvent du péage du Viaduc deMillau),

• elles sont toutefois incomplètes, et méritentd’être revues après trois ans d’existence.


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Avantages du matériau : conception technique

• sa grande résistance permet d’atteindre des

élancements élevés,• matériau très dense, présentant d’excellentes

propriétés en milieu agressif : – durabilité, – résistance au feu, – etc.

• une étanchéité est-elle toujours nécessaire ?


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Avantages du matériau : conception architecturale

• structures élancées et donc légères,

• qualités de parement très bonnes (possibilitéd’imiter d’autre matériaux !), grande uniformité,

• possibilité de teinter les éléments.


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Avantages du matériau : mise en oeuvre

• autoplaçant,

• pas d’armatures passives en général (gain detemps sur chantier),

• décoffrage rapide car résistance élevée au jeuneâge,

MAIS…

• recours quasi-systématique à la préfabrication,• dans des usines bien équipées, et bien formées.


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Pertinence du matériau

• le matériau sera-t-il compétitif ?

• la pertinence du BFUP dans le Génie Civil n’estpas pour l’instant avérée,

• il faut donner sa chance au matériau, mais pasle placer « sous perfusion » : – éviter les ouvrages innovants (impossible de mesurer

la compétitivité),

– admettre (sous réserves…) des variantes BFUP.


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Annexes


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Méthodes de dimensionnement des structures

Justifications sous sollicitationsnormales


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Loi de calcul ELU : BFUP en compression

• Coefficient partiel de

sécuritéb = 1.5

• Durée d’application de lacharge

= 1.0 (t > 24) = 0.85 (t < 1 h)

• Palier plastique


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Loi de calcul ELU : BFUP en traction

• Coefficient partiel de sécurité

bf = 1.3• Coefficient de passage K 1 (orientation des

fibres)K = 1.75 (efforts locaux)

K = 1.25 (autres)

(recommandées en l’absence de déterminationexpérimentale)


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Loi de calcul ELS

• Dans le domaine élastique, adhérence parfaite

acier-béton :n i = 4 nv = 8 (sans TT)n i = 4 nv = 5 (avec TT)

• Dans le domaine post-fissuration, on tientcompte du coefficient de passage K


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Ouverture de fissure et déformation équivalente

On peut remplacer toutes les lois -w par des

lois - eq , en posant :

Intérêt :• calculs plus simples (une inconnue en moins)• adapté aux outils informatiques existants

avec


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Vérification à l’ELU

• déterminer la courbe M-

(ou M-w) de la section

• trouver le maximum M Rd

• vérifier que M Sd MRd


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Vérification à l’ELS

Fw < 0.3 ou 0.2 ou 0.1 mm0.60.60.5IV

F-----00.60.60.5III

NF1.5001.0000.60.60.5II

NF0000000.60.60.5I

RFQQPRFQQPRFQQP

AilleursEnrobage C al c ul

Traction adm. (fraction de f t28 )Comp. adm.(fraction f c28 )


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Vérification à l’ELS – Commentaires du tableauprécédent• QP = Combinaison quasi-permanente d’actions

• FQ = Combinaison fréquente de d’actions• R = Combinaison rare d’actions• NF = calcul en section non-fissurée (RdM

classique)• F = calcul en section fissurée (BA/BP, AFREM)

• Des limitations existent également sur la tractiondans les armatures !!!


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• Taux minimal de fibres (w 0 = 0.3 mm)

• Non-fragilitéMel MRd

Ductilité, non-fragilité


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Méthodes de dimensionnement des structures

Justifications sous sollicitationstangentes


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Vérification à l’ELS

• Si x 0 (compression)

• Si x <

0 (traction)


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Vérification à l’ELU

• Treillis de Ritter-Mörsch toujours applicable

• Terme de participation du béton en traction estmodifié

• Terme supplémentaire de participation des fibres


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Efforts concentrés

• Important pour la diffusion de la précontrainte

• Blocs d’ancrage des câbles de précontrainte

sans frette : des recherches sont en cours

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