Test de compression du béton : forces et énergie

[andretou]

Bonjour à tous
Dans cette vidéo, un cylindre de béton est soumis à une pression grandissante et il cède à la 12ème seconde.


Apparemment rien ne se passe pendant les 12 premières secondes, mais que se passe-t-il à l'intérieur du cylindre pendant ce temps ?
Mes questions :
- Se passe-t-il vraiment strictement rien ? Mais s'il ne se passe rien à l'intérieur du cylindre, comment dans ce cas justifier que celui-ci cède à la 12ème seconde et non pas à la 6ème ou à la 18ème seconde ?
- Peut-on au contraire supposer que des tensions grandissantes s'exercent entre molécules à l'intérieur du cylindre pendant ces 12 secondes ? Et si on admet que la pression produit de telles tensions entre les molécules du cylindre, peut-on affirmer que si celui-ci n'a pas cédé dès la 6ème seconde, c'est parce que sa structure interne (ses liaisons moléculaires) avait encore la capacité de fournir un travail suffisant pour s'opposer (résister) au travail de la presse ?

Merci pour vos réponses
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[Deedee81]

Salut,

Tiens, j'ai justement pratiqué ce genre d'expérience en labo (à la fac).

Il ne se passe rien au début car la force est insuffisante. On augmente progressivement la force de pression (ou de traction, j'ai fait ça aussi avec des éprouvettes d'acier). Si au bout de 5 secondes on arrêtait d'augmenter, le bloc de béton bien que fortement comprimé ne casserait jamais (heureusement pour nos ponts et tunnels ) (hors vieillissement).

Oui, la tension augmente à l'intérieur, forcément, pour compenser la force appliquée. Mais peu se passe (il peut y avoir des microfissures et autres petites altérations qui sont d'ailleurs un des facteurs de vieillissement des bétons (*)). Ce n'est que lorsque la force et ces tensions dépassent un seuil critique, que des fissures importantes se forment et celles-ci se propagent en une fraction de seconde (je ne connais pas bien la vitesse de propagation, assez proche du son dans le béton amha) et CRAC.

(*) autres facteurs importants : altération chimique, infiltration d'eau et surtout des vibrations pouvant exercer une force de traction. Les aciers sont bons en traction et mauvais en compression, le béton c'est exactement l'inverse !!!! C'est pour ça qu'on utilise du béton armé : pour avoir une bonne résistance pour tous les types de contraintes, enfin, tant qu'elles ne sont pas trop fortes of course.

C'est en effet une question de structure interne et de résistance des liaisons moléculaires. Ca peut varier de manière importante d'un matériau à l'autre et même avec la structure (exemple : le graphite est ductile, le diamant est dur et cassant). Dans les matériaux très durs on a une propagation rapide des fissures lorsqu'elles se produisent, les matériaux "mous" se déforment plus facilement mais les défauts structurels se déplacent moins facilement. Ca dépend de nombreux facteurs. Par exemple, dans les aciers, la structure et la taille des joints entre grains de cristaux jouent un rôle primordial.

Pour caractériser les matériaux on parle ainsi de module d'élasticité (Young, Poisson), de limite d'élasticité, de limite de plasticité (au-delà, rupture). Et de plein d'autres choses.

La physique des matériaux est un domaine extrêmement vaste et compliqué qui nécessite d'énorme connaissances théoriques et expérimentales. Et souvent, les experts sont spécialisés dans certains types de matériaux (ceux qui conçoivent les bétons sont rarement ceux qui vont étudier les pérovskites pour des panneaux solaires ou ceux qui vont étudier les revêtements protecteurs des aciers, par exemple).

[invitef29758b5]

Salut

Les aciers sont bons en traction et mauvais en compression

Les métaux en général sont aussi bon en traction qu' en compression .

[andretou]

Et si on arrête l'expérience au bout de 6 secondes seulement, peut-on quand même dire qu'il y a eu un transfert d'énergie entre la presse et le cylindre ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Les métaux en général sont aussi bon en traction qu' en compression .

Sous forme allongée ils ont quand même tendance à flamber, mais pas le béton.

Et si on arrête l'expérience au bout de 6 secondes seulement, peut-on quand même dire qu'il y a eu un transfert d'énergie entre la presse et le cylindre ?

Non, ou juste un peu (avec les quelques micro-fissures qui auraient pu apparaitre)..

[andretou]

S'il n'y a pas de microfissures il n'y a pas de transfert d'énergie ?
Il faut forcément des dégâts dans le cylindre, sans quoi il n'y a pas de transfert d'énergie ?

[invitef29758b5]

Sous forme allongée ils ont quand même tendance à flamber, mais pas le béton.

Tu mélanges contraintes et sollicitation .
Et le flambage concerne autant le béton que l' acier .

[XK150]

S'il n'y a pas de microfissures il n'y a pas de transfert d'énergie ?
Il faut forcément des dégâts dans le cylindre, sans quoi il n'y a pas de transfert d'énergie ?

Salut ,
" Lorsqu'il est mis sous compression (ou tout autre type de contrainte), tout matériau souffre d'une certaine déformation, même imperceptible, qui provoque la modification des positions moyennes relatives des atomes et des molécules. La déformation peut être permanente, ou peut être inversée lorsque les forces de compression disparaissent. Dans ce dernier cas, la déformation donne lieu à des forces de réaction qui s'opposent aux forces de compression, et peuvent s'équilibrer. " WIKI

[Deedee81]

S'il n'y a pas de microfissures il n'y a pas de transfert d'énergie ?
Il faut forcément des dégâts dans le cylindre, sans quoi il n'y a pas de transfert d'énergie ?

Il faut forcément des modifications pour qu'il y ait transfert d'énergie : une déformation, des fissures,....
Le béton est presque indéformable (il casse au lieu de se déformer).

Tu mélanges contraintes et sollicitation .

Je ne te suis pas.

Et le flambage concerne autant le béton que l' acier .

A géométrie égale, il me semble quand même que le béton flambe moins facilement que l'acier.
(je me trompe peut-être car généralement les poutrelles d'acier sont plus fine que les poutres en béton, et ça peut induire ma mémoire en erreur)

[invitef29758b5]

Je ne te suis pas

Les contraintes , il n' y en a que deux sortes ; normales (cisaillement) et tangentielles (traction/compression).
Flexion , torsion , flambage ... c' est des sollicitations .

[Deedee81]

Les contraintes , il n' y en a que deux sortes ; normales (cisaillement) et tangentielles (traction/compression).
Flexion , torsion , flambage ... c' est des sollicitations .

Ah pardon, oui, c'est de sollicitation dont je parlais (curieux, je ne me souviens pas qu'on employais ce terme, mais bon, c'était il y a trente ans. J'ai fait beaucoup de fois le tour de mon bocal depuis).

Merci,

[sitalgo]

B'jour,

A géométrie égale, il me semble quand même que le béton flambe moins facilement que l'acier.
(je me trompe peut-être car généralement les poutrelles d'acier sont plus fine que les poutres en béton, et ça peut induire ma mémoire en erreur)

Ce qui compte est le EI du matériau. A géométrie égale (donc inertie égale) l'acier flambe moins, son Young étant plus élevé.

[invitef29758b5]

Ce qui compte est le EI du matériau.

E.I = produit du module d' élasticité par le moment quadratique .
Le premier est caractéristique du matériau , mais pas le second .

[sitalgo]

E.I = produit du module d' élasticité par le moment quadratique .
Le premier est caractéristique du matériau , mais pas le second .

Oui, élément est plus approprié.

[andretou]

Et si à la 11ème seconde on avait bloqué la presse, est-ce que selon vous le cylindre aurait quand même fini par céder après un certain temps ?
Si non, qu'en aurait-il été si on avait bloqué la presse à 11,99 ?

[Deedee81]

Salut,

Et si à la 11ème seconde on avait bloqué la presse, est-ce que selon vous le cylindre aurait quand même fini par céder après un certain temps ?
Si non, qu'en aurait-il été si on avait bloqué la presse à 11,99 ?

Non. S'il n'a pas encore cédé, il ne cédera pas.

[Deedee81]

Non. S'il n'a pas encore cédé, il ne cédera pas.

Amendement : s'il est à un micropoil de céder, la moindre petite vibration dans le voisinage risque bien de le faire céder.

[andretou]

Non. S'il n'a pas encore cédé, il ne cédera pas.

Mais comment expliquer que des structures neuves se fissurent et s'écroulent alors que le bâtiment est achevé (je pense en particulier au terminal E de Roissy) ?

[Deedee81]

Mais comment expliquer que des structures neuves se fissurent et s'écroulent alors que le bâtiment est achevé (je pense en particulier au terminal E de Roissy) ?

Vieillissement d'origine diverses (humidité, corrosion, pollution,...) plus les vibrations. Cela peut affecter le béton, les briques, le ciment....

C'est aussi pour ça qu'on vérifie régulièrement l'état des ponts et tunnels.

[ilovir]

Bonjour

Je reviens à la question d'origine, très simple.

La force exercée sur l'éprouvette se déplace du raccourcissement de l'éprouvette. Il y a donc bien un travail qui est fourni, c'est à dire de l'énergie.
Si le béton était parfaitement élastique, comme un ressort, l'énergie pourrait être récupérée en sens contraire en relâchant la force.

Si on dépasse la limite élastique, des ruptures apparaissent, avec des morceaux qui se déplacent en absorbant un travail que l'on ne pourra pas récupérer à l'envers.

La rupture brusque est due à la nature fragile du béton dont la limite de rupture est proche de sa limite élastique. Du moins pour un bon béton déjà bien durci, ce qui est le cas de celui de l'essai qui résiste à 58 MPa.
Le même essai sur un mauvais béton plus jeune aurait donné une rupture plus amortie : on ne verrait pas l'éprouvette exploser, et même on pourrait ne pas la voir se fissurer alors que sa rupture serait déjà attestée par une baisse rapide de l'effort appliqué (l'aiguille de la presse qui descend tout d'un coup).

[Deedee81]

Salut,

Pour l'acier, en traction après la zone élastique on passe à la zone plastique qui n'est pas due à des ruptures proprement dite mais plutôt à des modifications irréversibles de la structure cristalline : déplacement des parois de Bloch, formation et déplacement de dislocation. Ca absorbe aussi pas mal d'énergie. Le passage de la zone plastique à la rupture est aussi assez brutal. Exemple d'application : les automobiles ! On les conçoit pour avoir un habitacle indéformable (en réalité il se déforme mais pour des chocs, pas trop violent bien sûr, il subit une déformation élastique) et le reste déformable : en fait en zone de déformation plastique qui absorbe le plus gros du choc. Ainsi, des cascadeurs peuvent parfois renforcer l'habitacle par des arceaux mais pas le reste de la voiture qui doit se déformer.

Par contre le béton a en effet une zone plastique assez courte, comme le verre (il peut difficilement y avoir déplacement de dislocations dans un matériau amorphe mais les matériaux cristallins aussi peuvent se casser brusquement : au risque d'en étonner certains, c'est le cas du diamant. C'est bel et bien un matériau fragile : ne tapez jamais avec un marteau sur un diamant. C'est plus solide que du verre mais ça casse quand même). Dans les matériaux durs, dit fragiles, l'apparition de propagation provoque la formation de fissures qui rapidement se propagent à tout le matériau et çà fait crac.

[andretou]

Non. S'il n'a pas encore cédé, il ne cédera pas.

Dans les films catastrophes, on voit parfois cette scène d'une personne immobilisée par terre, et au-dessus de lui une lourde charge suspendue à un câble en acier qui rompt petit à petit uniquement sous l'effet de la tension...
Bien sûr le héros va dégager la personne juste avant que le câble ne lâche, mais une telle scène est-elle réaliste ?

[XK150]

Oui , rupture des brins sur les câbles multi brins : http://www.pms-ind.com/img/pdf/pms-levage-cable.pdf page 105

[andretou]

Mais est-ce que les brins du câble peuvent lâcher à retardement ? Disons après 5 minutes d'une tension constante ?

[XK150]

Oui , ils ne lâchent pas tous d'un coup , donc forcément bien à retardement , puisqu'ils sont censés tous travailler , supporter une partie de la charge .

[andretou]

Mais alors si les brins du câble continuent à travailler à tension constante, pourquoi le béton, lui, ne continue pas à travailler à pression constante ?

[ilovir]

mais on a bien dit qu'il continue à travailler, jusqu'à ce qu'il casse

[invitef29758b5]

Mais alors si les brins du câble continuent à travailler à tension constante

La tension n' est pas constante .
Chaque fois qu' un brin casse , sa charge se répartit sur les autres brins .

[andretou]

mais on a bien dit qu'il continue à travailler, jusqu'à ce qu'il casse

Non, il a été dit que le béton continue à travailler uniquement si la pression augmente.

[andretou]

La tension n' est pas constante .
Chaque fois qu' un brin casse , sa charge se répartit sur les autres brins .

Mais pourquoi le premier brin casse-t-il au bout d'un certain temps si la tension reste constante ? Il devrait casser tout de suite, ou alors ne pas casser du tout...