Calcul des murs et méga-poteaux mixtes acier-béton

Abstract

La conception des murs ou poteaux mixtes comportant plusieurs profils acier enrobés, également appelés murs hybrides et méga poteaux hybrides, est similaire à celle du béton armé classique, mais leurs caractéristiques spécifiques nécessitent des approches de conception adéquates. La recherche expérimentale et les modèles numériques ont démontré la faisabilité et la validité des éléments hybrides, mais les méthodes de calcul simples et pratiques font encore défaut en ce qui concerne la résistance au cisaillement. L’évaluation des effets de l’action de cisaillement transversale dans les profils enrobés et de cisaillement longitudinal aux interfaces béton-profils acier est un problème clé. Des recherches ont été réalisées dans un passé plus ou moins récent pour différents types de connexion, mais sans conduire à concevoir des conclusions. Dans cet article, le modèle de treillis équivalent classique pour le béton armé soumis à cisaillement est étendu pour tenir compte de la contribution des profils enrobés à la rigidité et à la résistance en cisaillement. Il permet de calculer les sollicitations des profils acier enrobés, du béton armé et des interfaces béton-profils acier, ce qui permet d’effectuer des contrôles de conception pour ces trois composantes. En particulier, il est démontré que le frottement est un composant important de la résistance au cisaillement longitudinal à l’interface béton-acier. Il peut être directement calculé puisque la méthode proposée identifie clairement les contraintes de compression à cet endroit. La validité de la méthode est évaluée en se référant à des résultats d’expérimentations réalisées en Chine et en Europe. Certains essais ont été réalisés sans connecteurs sur les profils acier enrobés sans que cela empêche d’atteindre la flexion plastique ductile sans problème de cisaillement longitudinal, comme le glissement entre le béton et le profil acier. Dans d’autres tests, effectués en Europe, la ruine a résulté d’une connexion insuffisante des profils au béton. Une évaluation détaillée de ces résultats montre que la méthode analytique proposée permet de comprendre et d’expliquer ces différentes observations expérimentales.

The design of composite walls or mega-columns with several encased steel profiles has similarities with classical reinforced concrete, but also original aspects which need specific design approaches. Experimental research and numerical models have demonstrated the feasibility and interest of those “hybrid” structural components, but simple methods for design against shear effects are still lacking. Assessing the shear action effects in the steel profiles and longitudinal shear at the steel profiles-concrete interfaces is a key problem for design. In the paper the classical equivalent truss model of the theory of reinforced concrete submitted to shear is extended to take into account the contribution of encased profiles to shear stiffness. The method permits the evaluation of the action effects in the steel profiles, in the concrete and in the interfaces, which make possible separate checks for these three aspects. In particular, it is shown that friction contributes significantly to the resistance to longitudinal shear at steel profile–concrete interfaces. This contribution can be directly calculated since the method identifies clearly the compression stresses at that place. The validity of the method is evaluated with reference to results of experiments made in China and in Europe. Some tests have been realised without connectors on the steel profiles and in spite of that ductile plastic bending took place without problem related to longitudinal shear, like slippage between steel profile and concrete. In some other tests made in Europe, failure resulted from a lack of connectors. A detailed evaluation of those tests shows that the proposed analytical method can explain and predict these experimental observations.