Fatigue testing and performance of steel reinforcement bars

Abstract

The methods of testing and the fatigue performance of six types of high strength steel reinforcement have been studied. Effects of bar diameter and butt-welding have been evaluated with an emphasis on long endurances. There is no evidence of the commonly assumed endurance limit at around 2×10⁶ cycles and fractures occurred at up to 97×10⁶ cycles. The performance can be represented by the expression σ ⁹_r N=K, where σ_r is stress range and N is cycles to failure. The value of K is dependent on type of test, bending or axial, and bar diameter. It is concluded that it is appropriate to design using the performance for axial testing in air. The method of expressing performance is uniform with classification of welded connections and gives a safe representation of behaviour.

Résumé

La plupart des données qu'on a publiées sur les performances en fatigue des armatures ont été obtenues sous des contraintes et pour des endurances abusivement élevées trop éloignées des conditions de service. Peu d'études expérimentales ont été faites au-delà de 5.10⁶ cycles, alors que les armatures de tabliers des ponts-routes peuvent subir jusqu'à 7.10⁶ cycles et les membrures des ouvrages en mer jusqu'à 10⁸ cycles. Une difficulté supplémentaire dans l'évaluation de l'état de l'art est que certains laboratoires préfèrent l'essai axial des armatures dans l'atmosphère et que d'autres aiment mieux les essais de flexion des poutres de béton armé d'une seule armature principale. Il est surprenant de voir que peu d'efforts ont été faits pour obtenir des relations quantitatives. Il a donc été nécessaire de conduire des études conséquentes des principaux facteurs qui influencent les performances en fatigue des armatures. Six types de barres à haute résistance ont été soumis à des essais de grande endurance sous chargement axial et sous flexion exercés sur des poutres armées. Les ruptures ne se sont produites qu'à 97.10⁶ cycles sans aucune évidence d'une limite de fatigue que l'on suppose communément se situer à environ 2.10⁶ cycles. Les performances ont été exprimées par la loi de puissance σ ^m_r N=k, où σ_r est l'ordre de contrainte et N le nombre de cycles à la rupture.

On en a tiré les conclusions suivantes:

• (1) Les performances des six différents types de barres de haute résistance essayées sont en général similaires;

• (2) Pour les barres de 16 mm des calculs de régression ont été effectués à partir des données et il est apparu que la valeur de l'exposant de contrainte était proche de 9;

• (3) Ceci vaut pour les essais axiaux en atmosphère aussi bien que pour la flexion en quatre points de l'armature dans le béton;

• (4) Les performances des barres essayées en flexion sont meilleures que celles sous chargement axial. Les relations de fatigue ont la même forme mais présentent des valeurs différentes de K; les contraintes relatives à une endurance donnée sont d'environ 20% plus élevées qu'en flexion. Il est recommandé pour les calculs que les performances soient évaluées avec une valeur de K fondée sur l'essai axial en atmosphère;

• (5) Les examens fractographiques indiquent que la fatigue sous chargement axial tend à susciter des défauts de surface, ce qui diffère du comportement en fatigue sous flexion qui révèle des fractures dont la naissance se détermine aux nervures;

• (6) Les performances des barres de 32 et 40 mm de diamètre sont plus faibles que celles des barres de 16 mm; les contraintes associées à une endurance donnée sont d'environ 30% plus faibles;

• (7) Les barres soudées sur bord ont des performances en fatigue notablement plus faibles que celles des barres continues. Une limite inférieure de performance en fatigue peut être représentée par une expression ayant un exposant de contrainte différent; ce qui est donné en chargement axial par la classe D (m=3) du Design Standard BS 5400, et en flexion par la classe C (m=3,5). On recommande pour les calculs d'utiliser la représentation classe D;

• (8) La représentation des données de performance à amplitude constante pour ce qui regarde les endurances jusqu'à 10⁷ cycles et en supposant qu'il y a une limite de fatigue d'environ 2.10⁶ cycles, ne laisse pas voir la possibilité que les essais à contraintes plus faibles pourraient amener la ruine s'ils étaient continués jusqu'à environ 10⁸ cycles. On dispose de relativement peu de données de longue endurance, mais celles qui sont disponibles ne confirment pas le concept d'une limite de fatigue.