Concrete cone failure of anchors at high temperature
Rupture par cône de béton des ancrages à températures élevées
Résumé
Anchoring heavy equipment to a concrete structure or connecting concrete elements with each other can be ensured by means of different anchoring systems. When concrete is exposed to a thermal load, for example, during an event of fire, its mechanical strength is changed, and therefore the behavior of these anchoring systems is affected. The latter can fail, under certain conditions, by detachment of a cone-shaped portion of concrete. At high temperatures, there is currently no universally recognized method for determining the resistance of an anchor to this failure mode. However, EN 1992-4 suggests in its Annex D a method based on ISO 834-1 fire exposure time. Faced with certain limitations attributable to this method, the objective of this work is to propose an alternative method. In particular, it is intended to relate the concrete cone capacity to the temperature of the concrete, instead of the duration of exposure to a specific type of fire. Given the complexity and high cost of the experimental investigations required to develop an empirical method at high temperature, the methodology adopted in this work is mainly based on theoretical and numerical analyses. An experimental campaign then completes these analyses, with the main purpose of verification. The work is then organized in three stages :1. Firstly, the concrete cone failure of headed studs is simulated numerically. The goal is essentially to predict the trajectory of the cone-shaped crack under different conditions, in particular by varying the embedment depth and the thermal gradient within the concrete. For that, concrete fracture is represented by a phase field variable. In particular, it is shown that the failure angle is not significantly sensitive to the variation of the investigated parameters. 2. Then, a semi-analytical work aims to establish the expression of the factor of reduction of the concrete cone capacity based on the temperature of concrete. This is carried out within the framework of linear elastic fracture mechanics, knowing the failure angle. A great part of this work consists in studying numerically the evolution of the energy required by the conical crack for its propagation. It is highlighted that the influence of the thermal stresses and that of the degradation of the macroscopic properties of concrete must be taken into account in design. It is also shown that the determining temperature for the degradation of the concrete cone capacity is that at the tip of the critical crack. However, the still unmastered knowledge of the fracture energy of concrete at high temperatures remains limiting for applying the established calculation method. Nevertheless, different assumptions based on the literature can be considered. 3. With these assumptions, the established method is finally verified by means of full-scale experiments. The high temperature test procedures developed during the experimental campaign allow to test the anchors without waiting for the concrete to cool down. Two types of heating scenarios are considered: ISO 834-1 fire and a slow-rate heating, which induces a less pronounced thermal gradient in concrete. Through these tests, the existing database for headed studs is broadened ; and very first results on bonded anchors are provided. A good agreement between the test results and the calculation results is obtained, with a different level of conservatism depending on the hypotheses considered for the fracture energy. Moreover, an alternative method to the method of EN 1992-4 is proposed for determining the characteristic resistance of headed studs, with which a better accuracy is achieved.
La fixation d'équipements lourds à une structure en béton ou la connexion entre éléments en béton peut être assurée au moyen de différents systèmes d'ancrage. En cas d'exposition du béton à une sollicitation thermique, par exemple, durant un incendie, le gradient thermique en son sein affecte sa résistance mécanique, et par conséquent, la tenue de ces systèmes d'ancrage. Ces derniers peuvent rompre, sous certaines conditions, par détachement d'une portion de béton de forme conique. A températures élevées, il n'existe pas à ce jour une méthode universellement reconnue pour déterminer la résistance d'un ancrage à ce mode de rupture. Cependant, l'EN 1992-4 propose dans son Annexe D une méthode basée sur le temps d'exposition au feu ISO 834-1. Face à certaines limites attribuables à cette méthode, l'objectif du présent travail est de proposer une méthode alternative. En particulier, il est visé de relier la capacité du cône de béton à la température du béton, au lieu du temps d'exposition à un type de feu spécifique. Etant donnés la complexité et le coût élevé des investigations expérimentales requises pour élaborer une méthode empirique, la méthodologie adoptée dans ce travail repose en grande partie sur des analyses théoriques et numériques. Une campagne expérimentale complète ensuite ces analyses, dans un but principal de vérification. Le travail s'organise alors en trois étapes : 1. En premier lieu, des ruptures par cône de béton de boulons à têtes sont simulées numériquement. L'objectif est essentiellement de prédire la trajectoire de la fissure conique sous différentes conditions, notamment en faisant varier la profondeur d'ancrage et le gradient thermique au sein du béton. Pour cela, la fissuration du béton est représentée par une variable champ de phase. En particulier, il est montré que l'angle de rupture n'est pas considérablement sensible à la variation de ces paramètres. 2. Ensuite, un travail semi-analytique vise à établir l'expression du facteur de réduction de la capacité du cône de béton en fonction de la température du béton. Ceci est réalisé dans le cadre de la mécanique linéaire élastique de la rupture, moyennant la connaissance de l'angle de rupture. Une grande partie de ce travail consiste à étudier numériquement l'évolution du besoin énergétique de la fissure conique lors de sa propagation. Il est mis en évidence que l'influence des contraintes thermiques et celle de la dégradation des propriétés macroscopiques du béton doivent être prises en compte lors du dimensionnement. Il est également montré que la température déterminante pour la dégradation de la capacité du cône de béton est celle à la pointe de la fissure critique. Cependant, la connaissance encore non maîtrisée de l'énergie de fissuration du béton à températures élevées reste limitante pour appliquer la méthode de calcul établie. Néanmoins, différentes hypothèses basées sur la littérature peuvent être considérées. 3. Avec ces hypothèses, la méthode établie est finalement vérifiée au moyen d'expérimentations à taille réelle. Les procédures d'essais à températures élevées développées durant la campagne expérimentale permettent de tester les ancrages sans attendre le refroidissement du béton. Deux types de scénario de chauffage sont considérés : le feu ISO 834-1 et un chauffage à vitesse plus faible, entraînant un gradient thermique moins prononcé dans le béton. Grâce à ces essais, la base de données existante sur les boulons à tête est élargie ; et des tout premiers résultats sur les chevilles chimiques sont fournis. Une bonne adéquation entre les résultats d'essais et les résultats théoriques est obtenue, avec un niveau de conservatisme différent selon les hypothèses considérées pour l'énergie de fissuration. En outre, une méthode alternative à la méthode de l'EN 1992-4 est proposée pour déterminer la résistance caractéristique des boulons à tête, avec laquelle une meilleure précision est obtenue.
Origine : Version validée par le jury (STAR)