Theoretical and experimental studies on early reinforced concrete structures: contribution to the analysis of the bearing capacity of the Hennebique system

With this in mind, the present research aims at identifying the specific structural characteristics of reinforced concrete structures erected before the First World War. Several axes of investigation were pursued in this PhD research and have resulted in the main observations detailed below.

- Based on a case study of the region of Brussels (Belgium), a database of structures built in reinforced concrete prior to 1914 was drawn up in order to place the material in its historical and geographical context. The inventory currently contains 507 examples and provides a panorama of the uses of reinforced concrete, ranging from numerous foundations and slabs to a complete structure from the end of the 1890s. This list is supplemented by a survey of a total of 605 patents filed for reinforced concrete in Belgium before the First World War. The early development of reinforced concrete was strongly related to national patenting, with a considerable number of systems being patented by private inventors for commercial purposes. Reinforced concrete profoundly transformed the building industry. All the professions working with the composite material had to change their approach, from the planning stage through to execution on the site. From the viewpoint of construction history, all these modifications make the time of the advent of reinforced concrete a particularly fruitful period to study.

- From the survey of early reinforced concrete structures in Brussels and the database of Belgian patents, the supremacy of the Frenchman François Hennebique and his system on the Brussels market for reinforced concrete (and, by extension, on the Belgian market) before 1914 is incontestable. This commercial achievement resulted from a combination of factors: an efficient structural system, meticulous attention to the quality of on-site reinforced concrete execution, and the commercial acumen to develop the business through advertising and other media. The well-known Hennebique system represents a monolithic structure including slabs, beams and columns. In fact, this system changed over the decades of operation of Hennebique’s company, not so much in relation to the design methods (his original semi-empirical method continued to be used) but particularly in practical terms (the type and location of the rebars among others). The evolution of the system is analysed by means of technical drawings from about 30 Belgian projects designed by Hennebique between 1900 and 1930.

- After the building contractors, who had been the first to believe in the structural and economic potential of reinforced concrete, engineers invented the calculation models and architects started developing new shapes. The Belgian engineer Paul Christophe was among the first theorists of reinforced concrete. The publication of his book Le béton armé et ses applications in 1899 is internationally recognised as a milestone in the rational modelling of structural reinforced concrete elements. Prior to the present study, details of his life and work remained largely uninvestigated, but the discovery of large parts of his personal archives has allowed clarification of his role in the popularisation of reinforced concrete, especially at the theoretical level.

- Reinforced concrete structures around the beginning of the 20th century were initially governed by empirical models of calculation (and execution) developed by the individual constructors. Gradually, reinforced concrete standards, published between 1904 and 1923 and based on working stress analysis and elastic modular ratio theory, replaced the utility of the patented systems. The different theoretical approaches are briefly described in this research. Mastering the theoretical assumptions and calculation methods used at the time represents the first step towards an appreciation of the structural behaviour and the possible weaknesses that can be expected.

- A review, based on literature published at that time, of the properties of the components of reinforced concrete allows identification of the characteristic materials used in the concrete matrix and the metal reinforcements. The execution process and the available technological tools for erecting a reinforced concrete structure are also addressed, as these would have had a direct influence on the quality of construction. Non-destructive and destructive experimental laboratory tests were performed on original samples, mainly removed from the Colo-Hugues viaduct (1904, Braine-l’Alleud, Hennebique system) in order to assess the mechanical properties, chemical features and durability issues for concrete and ferrous reinforcements. Comparing the results obtained using different techniques also makes it possible to determine the extent to which these techniques are reliable for the appraisal of early reinforced concrete structures.

- The structural efficiency of the Hennebique system is assessed based on an understanding of the principles of Hennebique’s semi-empirical method of calculation, but also – and primarily – by means of observations from experimental tests carried out on full-sized beams removed from the Colo-Hugues viaduct. Analysing and understanding the behaviour of the new composite material was a critical issue for promoting the use of reinforced concrete at the beginning of the 20th century. Today, what is required is a re-assessment of its structural behaviour. Three bending tests up to failure in simply supported conditions were performed at the BATir Department of the Université libre de Bruxelles on T-beams from the Colo-Hugues viaduct. This case study is representative of the majority of Hennebique structures, because the typical continuous straight T-beam is the main structural element of any Hennebique structure (bridge, building, etc.). The first test is a four-point bending test on a complete span (6 m) of the viaduct to obtain the response of the central part under positive bending moment. The flexural failure was ductile and occurred through yielding of the reinforcements followed by crushing of the concrete at mid-span. The second and third tests are three-point bending tests on 4 m long specimens centred on the column, representing the behaviour of the beam around the supports. These showed a sudden slipping failure due to loss of the adhesive bond between rebars. The results of these three experiments combined reproduce the actual behaviour of the viaduct in service. The bearing capacity of the Hennebique system in service and at ultimate has been demonstrated, at least for one loading case. These experimental tests provide essential data for a better understanding of the mechanisms of failure and reveal the main weaknesses of the Hennebique T-beam. Two strengthening solutions are suggested as supplementary information.

- The pathologies observed in early reinforced concrete structures (honeycombs, corrosion of the rebars, and so on) are mainly attributable to the tools and techniques that the builders had at their disposal (handmade compaction, high water-to-cement ratio, etc.) and by the limited contemporary knowledge of the physical and chemical phenomena, especially with regard to long-term effects. In fact, the concrete quality of the viaduct is surprisingly satisfactory despite its great age, due to the fact that the whole structure was covered with plaster, like the majority of reinforced concrete structures designed at that time.

This research establishes that reinforced concrete structures from 1880 to 1914 differ from later reinforced concrete structures. Taking into consideration the features of early reinforced concrete structures will contribute to ensuring sustainable conservation with limited intervention, thus preserving as much as possible of the original structure when restoration work is undertaken. Working on existing buildings often requires a multidisciplinary and holistic approach. The present study could thus be extended in various areas. For example, other structural aspects could be studied more in depth, such as demonstration of the shear strength of the Hennebique system or detailed consideration of the reinforcements (low adherence, particular anchorage devices, etc.)/

C'est dans le cadre de la conservation, au sens large du terme, que s'inscrit cette recherche sur les constructions en béton armé de première génération, c'est-à-dire de la fin du 19ème siècle au début du 20ème siècle. Cette recherche traite uniquement des superstructures, à l'exclusion des fondations, routes, tuyaux, etc., et en béton armé au sens moderne du terme, c'est-à-dire un béton réalisé à base de ciment artificiel et dont les armatures interviennent surtout pour reprendre les efforts de traction, ce qui exclut par exemple les utilisations de poutrelles métalliques enrobées de béton. Certains de ces ouvrages, réalisés entre 1880 et 1914, font aujourd'hui partie intégrante du patrimoine bâti, pour leurs valeurs architecturale, historique, technique ou aussi socio-économique. Ils jalonnent désormais l'histoire de la construction comme témoins d'une époque où le béton armé était un matériau nouveau. La Première Guerre mondiale marque la fin de cette période de premières innovations, d'explorations et d'expérimentations. Elle entérine l'acceptation et la diffusion du béton armé comme matériau de construction à part entière. Cependant, ainsi que le montrent certains projets de restauration actuels aux interventions inadéquates, il y a encore une méconnaissance des spécificités du béton armé de cette époque. Les causes de leurs dégradations mal diagnostiquées sont traitées de façon inappropriée. Or, dans les prochaines années, nombre de structures en béton armé construites dans la première moitié du 20ème siècle seront amenées à subir une rénovation suite au vieillissement naturel du matériau. C'est pourquoi pour conserver au mieux ces structures, il est indispensable d'étudier en détails leurs caractéristiques techniques pour ensuite intervenir, si nécessaire, de façon précise et adaptée.

Ce doctorat s'attèle donc à identifier les particularités des constructions en béton armé construites avant l'avènement de la Première Guerre mondiale, et plus spécifiquement à étudier leurs aspects structuraux. Plusieurs axes de recherche ont été développés et ont abouti aux principaux résultats suivants.

- Basé sur le cas de la région de Bruxelles-Capitale (Belgique), un inventaire des interventions en béton armé, construites avant 1914, a été dressé pour replacer le matériau dans son contexte historique et géographique. Cette base de données, comprenant 507 biens jusqu'à présent, illustre les types d'utilisation du béton armé dans la construction au début du 20ème siècle, d'abord des fondations ou simples planchers, jusqu'à une structure monolithique complète dès la fin des années 1890. Cet inventaire est complété par le relevé détaillé des brevets, au nombre de 605, déposés à ce sujet en Belgique avant la Première Guerre mondiale. Les brevets ont joué un rôle fondamental dans le développement du béton armé. Celui-ci était, en effet, régi par un foisonnement de systèmes commerciaux, majoritairement brevetés. L'introduction du béton armé a transformé en profondeur le secteur de la construction et notamment les professions liées tant à la phase de conception qu'au chantier lui-même. Du point de vue de l'histoire de la construction, toutes ces mutations font de l'avènement du béton armé une période historique riche.

- A la lecture du panorama offert par les inventaires des constructions et des brevets, la prééminence de la compagnie du Français François Hennebique, et donc de son système, sur le marché bruxellois (et par extrapolation sur le marché belge) du béton armé avant 1914 est indéniable. La réussite commerciale de Hennebique résulte d'une combinaison de facteurs: un système efficace sur le plan structural, une qualité d'exécution de béton coulé en place fiable et méticuleuse ainsi qu'un sens développé des affaires, en maîtrisant l'art de la promotion et de la publicité notamment. Le système bien connu de Hennebique comprend un ensemble monolithique formé par des dalles (hourdis), poutres et colonnes. Ce système a, en réalité, évolué dans le temps, pas tant d'un point de vue théorique (les calculs de dimensionnement sont les mêmes) mais plutôt pratique (positionnement, type d'armatures, etc.). Cette évolution a été observée par l'étude d'une trentaine de cas pratiques exécutés par Hennebique entre 1900 et 1930 en Belgique.

- Après les entrepreneurs, qui ont été les premiers à croire aux nouvelles possibilités constructives qu'offre le béton armé ainsi qu'à son succès commercial, les ingénieurs en inventent les principes de calcul et les architectes en révolutionnent les formes. L'ingénieur belge Paul Christophe fut parmi les premiers théoriciens du béton armé. La publication de son ouvrage Le béton armé et ses applications en 1899 constitue une étape importante, et internationalement reconnue, pour le dimensionnement rationnel d'éléments structuraux en béton armé. Jusqu'à la présente recherche, sa vie et son œuvre étaient restées assez confidentielles mais la découverte d'une partie de ses archives personnelles a permis de clarifier son rôle dans la diffusion, surtout théorique, du béton armé.

- Les structures en béton armé d'avant la Première Guerre mondiale furent d'abord gouvernées par des méthodes empiriques de dimensionnement (et d'exécution) développées par chaque constructeur. L'apparition des premières règlementations entre 1904 et 1923, basées sur une analyse en contraintes admissibles et la théorie du coefficient d'équivalence, remplace ensuite peu-à-peu l'utilité des systèmes brevetés. Les différentes approches théoriques sont brièvement décrites dans cette recherche. Maitriser les hypothèses et les méthodes de calculs employées à l'époque est, en effet, une première étape pour comprendre le fonctionnement structural prévu et les potentielles défaillances de dimensionnement.

- A travers une lecture attentive de la littérature publiée à cette période, les matériaux intervenants dans la fabrication du béton armé (c'est-à-dire le béton et les armatures) et utilisés couramment au début du 20ème siècle ont été identifiés ainsi que les moyens disponibles à cette époque pour produire des structures en béton armé. Des méthodes d'essais non-destructives et destructives ont été appliquées principalement, sur le viaduc Colo-Hugues (1904, Braine-l'Alleud, système Hennebique) afin d'évaluer les caractéristiques mécaniques, les propriétés chimiques et la durabilité tant du béton que des renforcements métalliques. Comparer les résultats de ces différentes méthodes permet d'aborder les limites d'utilisation de ces techniques, lorsqu'il s'agit d'évaluer structuralement des bétons armés de première génération.

- Grâce à la compréhension des principes, semi-empiriques, de dimensionnement appliqués par le bureau Hennebique en son temps mais surtout grâce aux observations déduites des essais expérimentaux réalisés sur des poutres de grandeur réelle, prélevées sur le viaduc Colo-Hugues, le fonctionnement structural réel du système Hennebique est évalué. Comprendre et modéliser le comportement du nouveau matériau composite fut une problématique fondamentale pour accroître l'usage du béton armé au début du 20ème siècle. Actuellement, il s'agit de réévaluer le comportement de ces structures. Trois essais jusqu'à rupture ont été menés, au département BATir de l'Université libre de Bruxelles, sur des poutres à gousset en T provenant du viaduc Colo-Hugues en conditions isostatiques et soumises à flexion. Ce viaduc des chemins de fer vicinaux est un cas d'étude représentatif de la majorité des constructions Hennebique, car la poutre de section en T est la structure typique du système Hennebique, utilisée tant dans les ouvrages d'art que dans les bâtiments. Le premier essai est une flexion 4 points sur une travée complète du viaduc (6 m de portée) pour obtenir la réponse en zone de moment maximum positif. La rupture ductile a eu lieu par plastification des armatures suivie d'un écrasement du béton en zone centrale, c'est-à-dire dans la zone la plus sollicitée. Deux éléments identiques de longueur de 4 m ont été essayés en flexion 3 points pour représenter le comportement sur appuis. La rupture de ces deux dernières expériences s'est produite suite à un glissement des armatures sur appuis (goussets à côté de la colonne). Il s'agit donc d'une rupture à caractère fragile. Les trois essais combinés représentent correctement la structure hyperstatique du viaduc dans son fonctionnement en service. La capacité portante réelle du système Hennebique en service et à l'état limite ultime, du moins dans un cas de chargement, a pu être expliquée. Ces essais fournissent les données essentielles pour estimer l'efficacité structurale du système Hennebique et identifier ses faiblesses. Deux solutions de renforcement sont proposées en complément d'information.

- Les pathologies observées dans les bétons armés datant du début du 20ème siècle (nids de graviers, corrosion des armatures, etc.) sont, la plupart du temps, causées par les outils sommaires à la disposition des constructeurs (vibration à la main, rapport eau/ciment plus élevé qu'aujourd'hui, etc.) et par une connaissance limitée des phénomènes physiques et chimiques, surtout à long terme. En fait, la qualité du béton du viaduc Colo-Hugues est particulièrement satisfaisante malgré l'âge avancé du béton, grâce notamment à l'enduit recouvrant l'ensemble du viaduc, ce qui est le cas pour la majorité des structures de la période étudiée.

Cette recherche démontre que les constructions en béton armé datant de 1880 à 1914 diffèrent des ouvrages postérieurs en béton armé et qu'il serait utile pour leur restauration de tenir compte de ces spécificités. La connaissance approfondie des particularités des constructions en béton armé de première génération permettra, espérons-le, de contribuer à leur longévité en intervenant le moins possible sur les structures d'origine. Etant donné que l'étude des structures existantes nécessite le plus souvent une approche pluridisciplinaire, ce travail pourrait être poursuivi dans plusieurs domaines variés. Il resterait notamment à approfondir d'autres aspects de stabilité, comme par exemple la démonstration de l'efficacité à l'effort tranchant du système Hennebique ou encore la prise en considération plus détaillée des armatures (adhérence limitée, forme d'ancrage particulier, etc.).