La KU Leuven étudie les prédalles – Testées et jugées (très) FAVORABLES

En Belgique, plus de 98 % de toutes les prédalles utilisées pour les planchers n’ont qu’un seul sens porteur. Dans ces cas, les joints entre les prédalles adjacentes sont des joints non constructifs. Cependant, lorsque les planchers sont conçus pour porter dans deux directions, les joints doivent être capables de transmettre les moments de flexion et les forces transversales. C’est ce que l’on appelle les joints constructifs. Afin de transmettre ces moments de flexion, des armatures de couplage sont appliquées à travers des joints qui se chevauchent avec les armatures des prédalles. Avec cette méthode de construction, il est également d’usage d’installer des éléments d’élégissement en usine afin de réduire le poids du plancher. Au Campus De Nayer (KU Leuven, département du génie civil, département des matériaux de construction et des structures), plusieurs pièces d’essai avec et sans éléments d’élégissement ont récemment été soumises à une série de tests pour évaluer le comportement de ces joints structurels en flexion.

Des planchers à prédalles massives

Afin de décrire le plus précisément possible le comportement en flexion et de correspondre au mieux à la réalité, un test de flexion en quatre points est utilisé. Une plaque est posée sur deux supports, après quoi la force du vérin est convertie en deux charges linéaires à travers les éléments testés au moyen d’un système de poutres de distribution (fig. 1). Avec ce dispositif d’essai, un moment de flexion maximal se produit au niveau du joint sans qu’aucune force transversale ne soit exercée.

En pratique, la distance maximale entre la première poutre treillis et le joint est de 400 mm. Lors d’un des essais, la poutre treillis sur un côté du joint a été remplacée par des tiges filetées de rigidité équivalente à une distance de 400 mm du joint à des fins de mesure. De l’autre côté du joint, deux poutres treillis ont été installées à proximité du joint pour la même raison. Des essais préliminaires à l’échelle sur des poutres treillis [1] ont montré que pour tester des planchers massifs, les dimensions des éléments d’essai peuvent être limitées. Pour le dispositif d’essai présenté, la portée est de 3,19 m et la distance entre la charge et le support est de 450 mm. La largeur de l’élément d’essai est de 450 mm, l’épaisseur totale est de 230 mm et l’épaisseur des prédalles est de 50 mm. L’élément d’essai est muni d’un joint au milieu. Les armatures de couplage de la prédalle (2Ø16 BE500, longueur 1.840 mm, placées sur des écarteurs de 6 mm) et les armatures de la prédalle sont adaptées l’une à l’autre pour assurer la rupture des armatures de couplage au niveau du joint. La surface de connexion entre la prédalle et la couche de compression peut être considérée comme lisse.

Sur la base des caractéristiques mesurées du béton utilisé (f_c = 24 N/mm²) et de l’acier (f_y = 589 MPa et f_t = 640 MPa), le mécanisme de rupture, la charge de fluage et la charge de rupture ont été estimés, respectivement F_calc,y = 151 kN et F_calc,u = 166 kN. En utilisant les facteurs de sécurité habituels et les propriétés caractéristiques des matériaux, il est également possible de calculer la valeur de conception de la charge de rupture en ELU (état limite ultime). Les résultats des essais, ainsi que les valeurs prévues, sont indiqués dans le diagramme force-déflexion de la fig. 2. Pendant toute la durée de l’essai, aucune force de traction n’a été enregistrée dans les tiges filetées (poutre treillis équivalente).

La ligne théorique de la fig. 2 montre le comportement prévu selon les principes de la norme NBN EN 1992-1-1 [2] en supposant un plancher solide homogène sans joint. Pour une force du vérin d’environ 150 kN, la limite d’élasticité de l’armature d’accouplement est effectivement atteinte, ce qui se traduit par un plateau horizontal dans le diagramme force-déformation.

Quelques conclusions :

• La déflexion du plancher peut être très bien décrite en se basant sur la théorie élastique, sans tenir compte de l’influence du joint. Le plancher se comporte comme un plancher isotrope homogène.
• Il existe une très bonne correspondance entre le modèle de conception et les valeurs mesurées. Le rapport entre F_test,y/F_calc,y et F_test,u/F_calc,u est de 0,99 et 1,02. Souvent, un ratio de ≥ 0,95 est considéré comme fiable [3]. Ces valeurs sont basées sur 6 tests effectués sur des planchers massifs avec des positions de poutre treillis, des directions de portée et des enrobages variables.
• Juste avant la rupture, la déflexion de l’échantillon est de 73 mm. Pour une portée de 3.190 m, cela signifie L/44.
• La délamination de la prédalle n’était pas visuellement perceptible pendant l’essai. Sur la base des mesures de contrainte, on peut conclure que la délamination s’est arrêtée à la première poutre treillis. Il n’y a pas d’effet sur le comportement global en termes de déflexion ou de longueur de transfert de l’armature d’accouplement.

Les chercheurs concluent que les planchers massifs à prédalles avec des joints structurels peuvent être envisagés comme des planchers homogènes à des fins de conception.

Prédalles avec éléments d’élégissement

La fig. 3 montre un joint constructif entre deux prédalles avec des éléments d’élégissement. Plusieurs tests [4] ont montré pour cette configuration qu’une distance limitée entre le joint et la première poutre treillis présente un certain nombre d’avantages : la longueur de l’armature de couplage reste limitée et l’influence sur la déflexion est négligeable. Dans ce contexte, on peut rappeler la PT 223 [5]. Dans le cas des planchers bidirectionnels, le document contient les valeurs extrêmes de la distance entre le joint et la première poutre treillis. À la demande de Kerkstoel 2000+ nv, membre de FeBredal (Fédération des producteurs belges de prédalles et de prémurs), le joint structurel de deux planchers à prédalles avec éléments d’élégissement a été testé à l’échelle réelle (voir fig. 1). 
Une portée de 5,7 m, une épaisseur totale de 290 mm et une largeur de 2,1 m ont été utilisées. La distance entre la charge et le support est cette fois de 1.350 mm, l’épaisseur des prédalles est de 70 mm. Les deux éléments d’essai sont pourvus d’un joint structurel au milieu. Les armatures d’accouplement de la prédalle (9Ø16 BE500, longueur 2000 mm, placées sur des écarteurs de 6 mm) et les armatures de la prédalle ont également été adaptées ici pour assurer la rupture des armatures d’accouplement à l’endroit du joint. Les premières poutres treillis étaient situées à une distance de 90 mm du joint.

Les deux essais diffèrent l’un de l’autre en raison de la rugosité de la surface de connexion. Une surface lisse et une surface rugueuse ont été testées. Les résultats sont présentés à la fig.4.

Les échantillons semblent réagir un peu plus rigidement que le modèle théorique. Cela est peut-être dû à la simplification de la section transversale dans ce modèle théorique qui ne tenait pas compte de l’effet favorable des nervures transversales.

Quelques conclusions :

• Le comportement de déformation peut à nouveau être très bien décrit sur la base de la théorie élastique en négligeant l’influence du joint. Aucune influence des joints ou des éléments d’élégissement n’est perceptible.
• Il existe à nouveau une très bonne correspondance entre le modèle de conception et les valeurs mesurées. Le rapport entre F_test,u/F_calc,u est de 1,04 et 1,01 pour une surface de connexion respectivement lisse et rugueuse.
• Juste avant la rupture, la déflexion est d’environ 90 mm à chaque fois. Pour une portée de 5,7 m, cela signifie L/63.
• Aucune délamination significative n’a été observée.
• Seul le comportement après le pic (> 45 mm de déformation ou L/127) montre une différence au niveau de la courbe force-déflexion entre les éléments d’essai avec une surface de connexion rugueuse et lisse. La courbe du spécimen à la surface rugueuse montre un plateau clair.

Les chercheurs concluent que les planchers à prédalles avec des éléments d’élégissement et des joints structurels ne nécessitent pas une approche particulière pour la conception. Ils peuvent être calculés comme des planchers massifs homogènes avec des réductions pour le poids propre, la rigidité en flexion et le moment de fissuration.

Comme pour les planchers massifs à prédalles, le système rapporté avec les détails corrects est basé sur la résistance de l’armature de couplage et peut être utilisé dans les planchers porteurs à double sens, tels que les dalles plates ou les planchers champignon.

Conclusion générale

Grâce à l’arsenal de règles de calcul et de détails disponibles, le comportement d’un plancher à prédalles peut être bien prédit et donc bien conçu. En ce qui concerne la schématisation, il est recommandé de concevoir le plancher comme un plancher isotrope homogène. De cette façon, on peut obtenir une bonne prédiction du comportement et une conception économique de la structure. Les planchers à prédalles avec des éléments d’élégissement qui répondent aux exigences de [5] et [6] peuvent également être conçus comme des planchers massifs. Des ajustements correspondants du poids propre, de la rigidité en flexion et du moment de fissuration sont alors bien sûr recommandés. (Tom MOLKENS, BHE) n

Cet article a été réalisé grâce au soutien logistique de Kerkstoel 2000+ nv, à la supervision du Prof. Ann Van Gysel, au personnel du laboratoire et aux efforts de deux étudiants en master Robbe Geerts et Siebe Vanhoutte [1] de l’année académique 2019-2020. Merci à tous pour votre contribution.

Bibliographie

[1] R. Geerts en S. Vanhoutte, Voegweerstand bij breedplaatvloeren, Sint-Katelijne-Waver: KU Leuven, FIIW, 2020.
[2] NBN EN 1992-1-1, Calcul des structures en béton – Partie 1-1: Règles générales pour les bâtiments (+AC 2008), Bruxelles: NBN, 2005.
[3] NBN EN 1168+A3, Produits préfabriqués en béton – Dalles alvéolées, Bruxelles : NBN, 2011.
[4] T. Molkens et A. Van Gysel, ”Behaviour of joints in lattice plank profiles with voiding elements,” in fib symposium, Krakau, 2019.
[5] NIT 223, ”Les planchers portants des bâtiments résidentiels et tertiaires” CSTC, Bruxelles, 2002.
[6] NBN B21-606, Produits préfabriqués en béton – Prédalles pour systèmes de planchers – Complément national à la NBN EN 13747+A2:2010 et la NBN EN 15050+A1: 2012, Bruxelles: NBN, 2019.