Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les structures du Génie Civil sont soumises durant toute leur durée de service à plusieurs types de déformations liées au séchage et à l'hydratation des liants hydrauliques. Ces déformations conduisent à la création de contraintes, pouvant mener à sa fissuration, et compromettre sa durabilité, limiter ses performances mécaniques, son étanchéité, ... Dans ce document, les mécanismes majeurs et les paramètres influents ce genre de déformations sont décrits. Ensuite, les mécanismes de fissuration par retrait gêné sont présentés. Les techniques de calculs, issues des codes de dimensionnement actuels, sont alors proposées. Enfin, pour limiter la fissuration, sont suggérées différentes méthodes de prévention basées sur la formulation des bétons et sur un choix judicieux des dispositions constructives.
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Civil engineering structures are subject to several types of deformation related to the drying and hydration of binders. These strains may lead to stresses, and sometimes to cracking, which can reduce durability, limit mechanical material performance and reduce tightness. In this paper we describe the main mechanisms and parameters influencing these deformations. The principal mechanisms of cracking by shrinkage restraint are then presented. The incorporation of calculations from current design codes is then described. Finally, in order to minimize cracking due to the restriction of delayed strains, different prevention methods based on the formulation of concrete mixtures and a judicious choice of conceptual design are also suggested.
Auteur(s)
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Farid BENBOUDJEMA : Maître de Conférences – HDR - LMT Cachan – ENS Cachan (France) CNRS – université Paris Saclay
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Aveline DARQUENNES : Maître de Conférences - LMT Cachan – ENS Cachan (France) CNRS – université Paris Saclay
INTRODUCTION
La fissuration par retrait gêné est à l’origine de l’ordre de 20 % des désordres constatés dans les structures en béton armé. Ces désordres ont plusieurs conséquences d’ordre esthétique ou structurel. D’un point de vue structurel, cette fissuration n’engendre que très rarement une rupture partielle de la structure (on peut avoir par exemple un décollement d’éléments de l’ouvrage, comme dans les éléments de façade). Par contre, les conséquences sont plus importantes sur la durabilité de la structure ou l’aptitude au service de structures où le béton joue un rôle d’étanchéité. Concernant la durabilité (toutes les structures sont concernées), les fissures favorisent, par exemple, la pénétration d’éléments agressifs tels le dioxyde de carbone (mécanisme de perméation, diffusion) ou les ions chlorures (mécanisme de diffusion, advection), conduisant à la corrosion précoce des armatures. Concernant l’étanchéité, les structures impliquées sont :
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les barrages ;
-
les revêtements de tunnel en béton ;
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les réservoirs ;
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les enceintes de confinement de bâtiments de réacteurs de centrales nucléaires, etc.
En termes de débit de fuite, il est possible de montrer que celui-ci est proportionnel à l’ouverture de fissure au cube !
Si la fissuration estimée est trop compromettante, il convient d’y remédier soit en injectant les fissures (augmentant le coût de l’ouvrage par la nécessité d’opérations supplémentaires, pouvant également entraîner des retards sur les travaux), soit par une réparation en couche mince. Il convient également de veiller à la compatibilité dimensionnelle (retrait) entre la structure initiale et le matériau utilisé pour l’injection ou la réparation sous peine que ces derniers fissurent à nouveau !
Si le calcul de structure est aujourd’hui enseigné dans tous les établissements formant des ingénieurs, la fissuration induite par le retrait gêné n’est malheureusement souvent que partiellement abordée. De même, dans la réglementation actuellement utilisée usuellement dans les structures en béton armé (Eurocode 2), s’il est clairement indiqué qu’elle doit être prise en compte, aucune méthodologie claire n’est proposée.
Ainsi, après avoir défini les déformations de retrait (mécanismes, paramètres influents, amplitude des déformations), il est indiqué en fonction de la structure et de la composition des matériaux utilisés, quelle déformation de retrait doit être considérée. Ensuite, des éléments pour prédire les risques de fissuration sont présentés. Il en résulte que le calcul est très complexe en réalité (celui-ci fait l’objet à l’heure actuelle de travaux de recherche dans le monde). Ainsi, le risque de fissuration par retrait ne dépend pas uniquement de la déformation de retrait ! Un calcul plus précis passe par des simulations numériques aux éléments finis qui ne sont pas présentées dans le présent document. Enfin, des dispositions constructives et au niveau du matériau sont données afin de limiter les risques de fissuration par retrait.
La convention de signe utilisée est la suivante : les déformations d’extension et les contraintes de traction sont négatives ; les déformations de contraction et les contraintes de compression sont positives. C’est la convention de signe utilisée usuellement en Génie Civil. Elle est l’inverse de celle utilisée en résistance des matériaux.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
cracking | shrinkage | Civil engineering | building
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Prédiction de la fissuration par déformation de retrait gêné
En anglais
1. Déformations de retrait
1.1 Retrait endogène
Le retrait endogène est une déformation du matériau présentant un caractère inéluctable vu sa dépendance vis-à-vis de l’hydratation du ciment.
Il se produit sous condition isotherme et en l’absence totale de tout échange hydrique avec le milieu extérieur.
Cette déformation résulte de la combinaison de deux phénomènes (figure 1 ) :
-
le retrait chimique, dit « Contraction de Le Châtelier » (phase 1) ;
-
le retrait d’auto-dessiccation (phase 3).
Dès la mise en contact des grains de ciment avec l’eau, il se produit une contraction du matériau, nommée retrait chimique (figure 1-phase 1). Cette déformation est due au fait que le volume absolu des hydrates (C-S-H, Portlandite, etc.) formés est inférieur à la somme des volumes initiaux du ciment anhydre et de l’eau.
À partir d’un certain degré d’avancement de la réaction d’hydratation (dit « seuil de percolation », ξ 0), les hydrates formés « collent » les grains de ciment non hydratés (figure 1-phase 2) et les granulats les uns aux autres (phénomène de prise, le béton passe de l’état liquide visqueux à l’état solide et développe des propriétés mécaniques). La diminution du volume absolu devient alors incompatible avec les déformations mécaniquement admissibles par le squelette...
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Déformations de retrait
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - STEFAN (L.) - Étude expérimentale et modélisation de l’évolution des propriétés mécaniques au jeune âge dans les matériaux cimentaires - Thèse de Doctorat, École Normale Supérieure de Cachan, France, 302 p. (2009).
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(2) - BAROGHEL-BOUNY (V.) - Caractérisation des pâtes de ciment et des bétons, Méthodes, Analyse, Interprétation - Thèse de Doctorat, École Nationale des Ponts et Chaussées, France, 467 p. (1994).
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(3) - HUA (C.), ACKER (P.), EHRLACHER (A.) - Retrait d’autodessiccation du ciment : analyse et modélisation macroscopique - Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées, 196, pp. 79-89 (1995).
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-
(5) - BOIVIN (S.) - Retrait au jeune...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Pathologie du béton armé – Actions physico-chimiques, cas particuliers et ouvrages spécifiques
-
Nouvelle approche de la durabilité du béton. Méthodologie et exemples
-
Techniques du bâtiment : Connaître les matériaux de la construction. Béton précontraint
-
“Applications industrielles du froid – Industries utilisatrices”
-
...
NORMES
-
‘Cooling and Insulating Systems for Mass Concrete’. - ACI 207.4R-93 -
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“Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structures (ACI 209R-92),” American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich. - ACI Committee 209 - 1992
-
‘Building Code Requirements for Reinforced Concrete’. - ACI 318 - 1995
-
Règles techniques de conception et de calcul des ouvrages et constructions en béton précontraint suivant la méthode des états limites, Fascicule n° 62 – Titre I – Section II. - BPEL 91 révisé 99 - Avril 1999
-
Design Code, Fédération internationale du béton, 460 p. - CEB-FIP Model Code - 1990
-
Calcul des structures en béton – Partie 1-1 : Règles générales et règles pour les bâtiments. - Eurocode 2-1, norme NF EN 1992-1 -
-
Calcul des structures en béton – Partie 2 : Ponts en béton – Calcul...
-
Application gratuite Tmax béton, disponible sur le playstore (Android)
-
Cast3m, code de calcul aux éléments finis, développé par le CEA,
-
Code Aster, code de calcul aux éléments finis, développé par EDF,
-
Code Cesar-LCPC,
-
TNO Diana,
Projet national CEOS.fr,
http://www.ceosfr.irex.asso.fr/
Action européenne COST TU 1404,
Comité technique de la Rilem,
http://www.rilem.org/gene/main.php?base=8750&gp_id=301
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