Behavior of bonded anchors in concrete under fire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Behavior of bonded anchors in concrete under fire

Comportement au feu des ancrages par scellement chimique dans le béton

Résumé

The technique of bonded anchors consists of fastening a threaded rod in a drilled hole in hardened concrete by polymer adhesives. The main advantages of this technique are ease of installation and the high mechanical properties of the adhesive at ambient temperature. Due to the adherence of the adhesive resin, this type of anchors can be designed to ensure similar or even higher performances compared to other anchor systems (mechanical and cast-in). However, at high temperatures, e.g. fire situation, the adherence of the adhesive degrades rapidly. Fire decreases the adherence of the adhesive and leads to the inability of the anchor to support the fixed objects. This creates a risk on the lives and goods inside the building. Several accidents occurred like the collapse of the Big Dig Tunnel in the USA (2006) and the Sasago tunnel in Japan (2012) and highlighted the importance of having reliable evalutation methods of this type of anchors. The objective of this thesis is to establish an assessment and a design method to ensure the structural resistance of bonded anchors in fire situations. This project is structured into four main parts:i. Experimental protocols for fire tests on bonded anchors. Pull-out fire tests were conducted on bonded anchors (epoxy adhesive). Temperature profiles along the embedment depth of anchors were determined experimentally for different test configurations. Then, these temperature profiles were used as entry data to calculate the fire resistance of anchors using Pinoteau’s method (Resistance Integration Method). This study allowed to precise the experimental conditions to be adopted for fire evaluation of bonded anchors. ii. Proposition of a design model based on transient thermal calculations using finite element method in 3D. Temperature profiles were calculated using the thermophysical material properties of concrete and steel in the Eurocode. 3D modelling was compared to 2D modelling commonly used in the literature. Both approaches were compared to measurements during fire tests and coupled with Pinoteau’s method to assess their impact on the calculation of fire resistance of anchors. Following the validation of the 3D model, thermal investigations were conducted on other parameters that could influence fire tests of bonded anchors. This study allowed to validate the 3D modelling approach as the most representative of the problem of bonded anchors exposed to fire.iii. Validation of Pinoteau’s method for the design of bonded anchors under fire by using the previously proposed design model. Calculations of fire resistance of three different bonded anchor products were compared to pull-out tests. This study conducted on a wide range of anchor sizes lead to the validation of the Pinoteau’s Method for the design of bonded anchors.iv. Study of the behavior of bonded anchors in cracked concrete at high temperatures. An assessment method was developed to determine the reduction of bond strength due to cracked concrete, at high temperatures (electrical heating). Tests were conducted on bonded anchors (epoxy adhesive) in cracked and uncracked concrete, at ambient and high temperatures. The evolution of the reduction with temperature increase was investigated. This study ensured a good repeatability of test results due to the increased testing potential and the good control of the applied heating scenario.
La technique des ancrages par scellement chimique consiste à sceller une tige filetée dans un trou foré dans le béton durci grâce à une résine polymère. Les principaux avantages de cette technique sont la facilité d’installation et les propriétés mécaniques élevées de la résine à température ambiante. Grâce à l’adhérence de la résine, ce type d’ancrage peut être dimensionné pour avoir des performances similaires voire supérieures de celles des autres systèmes d’ancrages (mécaniques et coulés en place). En revanche, à hautes températures, e.g. incendie, l’adhérence de la résine se dégrade rapidement menaçant la capacité de l’ancrage à supporter les charges appliquées. Cela crée un risque sur les vies et les biens dans le bâtiment. Plusieurs accidents se sont produits comme l’effondrement du Big Dig Tunnel aux USA (2006) et le tunnel Sasago au Japon (2012) qui ont montré l’importance d’avoir des méthodes d’évaluation fiables de ce type d’ancrages. L’objectif de cette thèse est d’établir une méthode d’évaluation et une méthode de dimensionnement afin d’assurer la tenue structurale des ancrages par scellement chimique en situation d’incendie. L’étude est structurée en quatre parties :i. Protocoles expérimentaux pour les essais au feu des chevilles chimiques. Des essais d’arrachements au feu ont été réalisés sur des chevilles chimiques (résine époxy). Les profils de températures le long de l’ancrage ont été déterminés expérimentalement pour différentes configurations d’essais. Ensuite, ces profils thermiques ont été exploités comme données d’entrée pour calculer la résistance des chevilles par la méthode Pinoteau (intégration des résistances). Cette étude a permis de préciser les conditions expérimentales à utiliser pour l’évaluation des chevilles chimiques au feu.ii. Proposition d’un modèle de dimensionnement basé sur des calculs thermiques en utilisant la méthode des éléments finis en 3D. Les profils de température correspondant aux différentes configurations d’un ancrage dans le bâtiment ont été calculés à l’aide des propriétés thermophysiques des matériaux Eurocode pour le béton et l’acier. La modélisation en 3D a été comparée à la modélisation en 2D plane utilisée communément dans la littérature. Les deux approches ont été comparées aux mesures expérimentales et couplées avec la méthode Pinoteau pour évaluer l’influence de la méthode de modélisation sur le résultat de l’intégration des résistances. Suite à la validation du modèle 3D, des investigations thermiques ont été conduites sur d’autres paramètres pouvant influencer les essais au feu des chevilles chimiques. Cette étude a permis de valider la méthode de calcul en 3D comme la méthode la plus représentative du problème d’une cheville chimique au feu.iii. Validation de la méthode Pinoteau pour le dimensionnement des chevilles chimiques au feu en utilisant le modèle de dimensionnement proposé précédemment. Les calculs de la résistance au feu de trois chevilles chimiques différentes ont été comparés à des essais d’arrachement. Cette étude menée sur une large gamme de tailles de chevilles a permis de valider l’utilisation de l’intégration des résistances pour le dimensionnement.iv. Etude du comportement des chevilles chimiques dans le béton fissuré à hautes températures. Une méthode d’évaluation a été développée afin de déterminer la réduction de la résistance d’adhérence liée à la fissuration du béton, à hautes températures (chauffage électrique). Des essais ont été faits sur des chevilles chimiques (résine époxy) dans le béton fissuré et non-fissuré à température ambiante et à hautes températures. La réduction de la résistance avec l’augmentation de la température a été investiguée. Cette étude a permis d’obtenir une bonne répétabilité des résultats grâce à l’augmentation du nombre d’essais et le bon contrôle du scénario thermique appliqué.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03139839 , version 1 (12-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03139839 , version 1

Citer

Omar Al-Mansouri. Behavior of bonded anchors in concrete under fire. Civil Engineering. Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai, 2020. English. ⟨NNT : 2020MTLD0011⟩. ⟨tel-03139839⟩
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