Experimental study of composite bonded structures : effect of creep, fatigue and durability
Étude expérimentale des éléments structuraux multi-matériaux collés sollicités en flexion : effet du fluage, fatigue et durabilité
Résumé
This PhD thesis focuses on understanding the static, fatigue and creep behavior of composite-flexural members made of steel and concrete and assembled by adhesive epoxy. The analysis and resolution of the problem will be carried out at two levels: the interface and the structural element. In addition, attention will be particularly focused on the time-dependent behavior (creep, relaxation, shrinkage ...), fatigue and durability in various environments. The first step is to conduct an experimental analysis on the characterization of the steel-concrete connection in order to identify the main factors influencing their mechanical behavior. To do this, a Push-out test, similar to that used to characterize a steel-concrete element with studs, was especially used. An accelerated aging test, by immersion in a hot water bath, has been made. They have not decreased significantly τu but changed the failure mode which becomes mixed (adhesive and cohesive in the adhesive). This change is due to a decrease of the intrinsic performance of the primary and the adhesive with aging. From a structural point of view, we have improved the existing experimental data on the instantaneous behavior of steel-concrete bonded beams by performing seven beam tests with two modes of loading (3 and 4 point bending test). These tests give us a solid foundation for our fatigue and creep tests. It is found that the failure mode is better predicted based on a comparison between the shear stress in beams with shear limit provided by push-out tests. This finding indicates the relevance of the push-out tests as a design criterion. Also, unlike previous work, we can conclude that the average shear stress at the interface between the concrete and steel is greater than the tensile strength of the concrete used.For the long-term behavior, three beams were tested under cyclic loading for over 2 million cycles with several load levels. Another beam has been test with a constant load for 7 months to investigate the influence of creep on this type of structure. After fatigue and creep tests, the behavior of the beam is similar to that of reference beams. We have always a failure with plastic hinge and not a shear failure which confirms the good resistance of the adhesive joint in case of creep or fatigue
Ce travail porte sur la compréhension du comportement en flexion, statique instantané, en fatigue et en fluage des structures multi matériaux du génie civil, constituées d'acier et de béton et assemblées par un adhésif de type époxy. L'analyse et la résolution du problème posé se feront à deux échelles : au niveau de l'interface et à l'échelle d'un élément de structure. De plus, l'attention sera tout particulièrement portée sur le comportement au cours du temps (fluage, relaxation, retrait…), la fatigue et la durabilité sous différents environnements. La première étape consiste à mener une analyse expérimentale sur la caractérisation de la connexion acier-béton, à l'échelle de l'interface, en vue de repérer les principaux facteurs influençant leur comportement mécanique. Pour cela, L'essai push out, analogue à celui utilisé pour caractériser les connecteurs des ponts mixtes, a été plus particulièrement utilisé. Des essais de vieillissement accéléré par immersion dans un bain d'eau chaude ont été réalisés. Ils n'ont pas diminué la contrainte de cisaillement moyenne à rupture de façon significative mais ont en revanche modifié le mode de ruine qui devient mixte (adhésif et cohésif dans la colle). Cette modification est à la fois due au primaire et à l'adhésif lui-même dont les performances intrinsèques diminuent avec le vieillissement. A l'échelle d'un élément de structure, nous avons enrichi les données expérimentales existantes sur le comportement instantané des poutres mixtes acier-béton collées avec la réalisation de 7 essais de flexion avec deux modes de sollicitation (flexion 3 et 4 points). Ces essais nous donnent une base solide pour nos essais en fatigue et sous fluage. On constate que le mode de ruine est mieux prédit en se basant sur une comparaison entre la contrainte de cisaillement dans les poutres avec les contraintes de cisaillement limite déduites des essais push-out. Cette conclusion montre la pertinence des essais push-out dans l'objectif de les prendre comme critère de dimensionnement. Aussi, et contrairement aux travaux antérieurs, nous pouvons conclure que la contrainte moyenne de cisaillement à l'interface entre le béton et l'acier est supérieure à la résistance en traction du béton utilisé. Pour le comportement à long terme, trois poutres ont été testées sous charge cyclique pour plus de 2 million de cycles et à plusieurs niveaux de charge. Une autre poutre a subi une charge constante pendant 7 mois pour étudier l'influence de fluage sur ce type de structure. Après les essais de fatigue et fluage, le comportement des poutres est analogue à celui des poutres de référence. Nous avons toujours une ruine par rotule plastique et non par cisaillement du joint de colle ce qui confirme sa bonne résistance vis-à-vis ces deux phénomènes
Origine : Version validée par le jury (STAR)