RENFORCEMENT DES POUTRES EN BETON ARME A L’AIDE DE MATERIAUX COMPOSITES (PDF)

par Doc genie civil
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RÉSUMÉ

L’objectif de cette recherche est de modéliser le comportement des poutres rectangulaires fabriquées en béton armé et renforcées avec des lamelles de PRF. Cette modélisation doit permettre de déterminer le renforcement nécessaire devant être appliqué à des ponts en béton armé. Parmi ces ponts, certains affichent un état de dégradation avancé et ne respectent plus les critères d’évaluation qui exigent souvent l’imposition de limitations de charges. Les éléments environnementaux ne favorisent pas la durabilité de nos constructions. Les charges croissantes des véhicules en circulation amènent un vieillissement prématuré des structures.

Les théories décrivant les différents paramètres caractérisant le béton armé sont relativement bien connues. Toutefois, l’apport des composites en tant que matériau de renforcement extérieur soulève de nouvelles questions. Afin d’obtenir une utilisation adéquate de ces nouveaux matériaux dans les tâches de réhabilitation et de renforcement, il est nécessaire de bien comprendre leur interaction avec le béton armé. Le fait de bien décrire théoriquement le comportement des poutres en béton armé renforcées avec des composites favorisera leur intégration comme méthode alternative de réparation.

Le modèle mis en place pour la simulation d’une poutre renforcée par collage de composites permettra de prédire correctement la charge de ruine, ainsi que les déformations dans les différents matériaux. L’un des grands intérêts de ce modèle est qu’il permet également d’avoir accès à la distribution des contraintes tangentielle et normale dans le l’interface acier-béton.

Mots clés : Pathologies des béton – auscultations – renforcement des poutres – composites –Elément finis – endommagement.

INTRODUCTION

1.1. État actuel des infrastructures

Les infrastructures de l’Algérie sont un immense réseau de routes, de bâtiments et de ponts qui doit répondre aux besoins humains, tant économiques que sociaux. L’état actuel de ces infrastructures est préoccupant. En effet, plusieurs d’entre eux montrent des signes de détérioration importante. Les causes possibles sont nombreuses: le vieillissement des matériaux, la corrosion, l’augmentation de la surcharge routière, une conception inappropriée, des erreurs commises lors de la construction ou même une combinaison de ces facteurs. La nécessité de résoudre ce problème n’offre que deux possibilité : reconstruire ou réparer. Or, il est souvent beaucoup moins onéreux de renforcer certains éléments structuraux que d’effectuer une reconstruction complète de l’ouvrage.

Différentes techniques de renforcement externe des structures en béton armé sont apparues.
L’une des premières à être utilisée est le collage d’éléments d’acier sur les surfaces exposées aux sollicitations. L’émergence des polymères renforcés de fibres dans la pratique du génie civil, et les difficultés rencontrées avec l’usage des plaques d’acier, ont conduit aux FRP (polymères renforcés de fibres) dans la pratique de réparation. Les FRP présentent de nombreux avantages quant à leur utilisation, puisqu’ils affichent un rapport résistance-poids très élevé et ne corrodent pas. Ainsi, les FRP peuvent à la fois servir au renforcement en flexion et en cisaillement de poutres en béton armé, aussi bien qu’au confinement de colonnes de structures saines ou endommagées.

1.2 Propriétés des matériaux composites

Un plastique renforcé de fibres FRP consiste en deux ou plusieurs matériaux distincts combinés à l’échelle macroscopique afin de produire un produit possédant des caractéristiques qui dépassent celle de leurs composantes seules. Un FRP est une combinaison de fibres à haute résistance (les fibres de verre, de carbone et d’aramide sont les plus utilisés) dans une matrice (polyester, vinylester, époxy ou autre). Le matériau ainsi obtenu est hétérogène et anisotrope. Les fibres donnent la résistance mécanique alors que la matrice unit
les fibres, les protège et transfert les charges aux fibres par cisaillement.

Les plaques de FRP sont des laminés (ou stratifiés) constitués d’un certain nombre de couches appelés plis. Un pli est une couche de fibres ou de fibres tissées, imprégnées dans une matrice. Lorsque les plis sont empilés les uns sur les autres dans une combinaison d’orientation définie à partir des propriétés mécanique désirées, le produit s’appelle alors laminé.

Les FRP sont manufacturés sous différentes formes, comme des feuilles minces, barres ou des profilés. Chacun de ces produits convient à une utilisation très spécifique dans le domaine de l’engineering. La plus importante caractéristique des FRP est leur rapport résistance-poids élevé. On peut facilement produire un FRP dont la résistance à la traction est supérieure à celle de l’acier, et cela pour une masse correspondant à moins de 10% de l’acier.

1.2 Application des composites dans la construction en génie civil

1.2.1 Utilisation des barres de FRP la fabrication des poutres en béton armé

La fabrication de barres en matériaux composites comme remplacement des barres d’armatures conventionnelles en acier a commencé au milieu des années 80. Les fibres de carbone et d’aramides ont spécialement été utilisées au Japon, tandis qu’en Europe ce sont des fibres de verre et d’aramide qui ont été fabriquées. Aux États-Unis, ce sont les barres d’aramide qui étaient le plus couramment utilisés. Les barres peuvent être utilisés au niveau des dalles de plancher, des tabliers de pont, des poutres en béton précontraint, dans les murs
de soutènement ainsi que dans les ancrages utilisés en géotechnique.

La durabilité de ces matériaux face à la corrosion leur permet d’être utilisés dans des applications très variées. La corrosion des barres engendrée par l’infiltration d’eau dans les fissures provoque une perte de résistance qui peut s’avérer très importante dans certains cas.

Les viaducs d’autoroutes sont très touchés par ce problème. Les sels de déglaçage qui sont fréquemment utilisés et les cycles de gel-dégel répétitifs représentent les causes principales de la dégradation actuelle des structures en béton armé, précontraintes ou non. À Sherbrooke au Canada, le pont Joffre a récemment été reconstruit et une section de la dalle contient des matériaux composites [LAP 99]. En effet, un grillage fabriqué avec de la fibre de carbone a servi à remplacer l’acier que l’on retrouve dans la partie supérieure de la dalle. En plaçant des composites dans la zone le plus en contact avec les sels de déglaçage, on parvient à diminuer
le taux de dégradation de cette section.

Les niveaux de résistance en traction des barres de composite sont très élevés et dépassent de beaucoup ceux de l’acier conventionnel (aramide: 2400-3100 MPa, carbone: 2400-5700 MPa, verre: 3300-4500 MPa). Dans le cas de l’acier, la résistance peut atteindre 1860 MPa.

1.2.2 Utilisation de barre de FRP pour des ancrages souterrains

De nombreux ouvrages géotechniques ont besoin d’un système d’ancrage souterrain pour soutenir une structure, comme pour les murs de soutènement ou bien pour d’autres ouvrages de stabilisation des sols. Le principe derrière l’utilisation de ces ancrages est de retenir la structure en créant une contrainte entre l’extrémité de l’ancrage et le sol. On utilise des barres de précontrainte en acier comme dans les poutres, mais le même problème de corrosion persiste. L’utilisation de câbles en FRP a su démontrer les performances de ce matériau dans un milieu corrosif.

1.3 Réhabilitation des structures à l’aide de FRP

Après l’indépendance de l’Algérie, un nombre impressionnant de structures ont été édifiés.

Toutefois, plusieurs d’entre elles approchent la fin de leur durée de vie utile. Ceci touche autant les bâtiments que les ponts en béton armé. La dégradation de ces ouvrages est accélérée par les agressions chimiques, les chocs mécaniques et l’augmentation soutenue des charges d’utilisation. Il faudrait donc pour plusieurs de ces ponts envisager une reconstruction. Mais les restrictions budgétaires imposées par notre gouvernement nous incitent à trouver des solutions plus économiques et plus durables. Les matériaux composites peuvent offrir une méthode efficace malgré le nombre limité d’exemples pratiques.

Les ingénieurs en structures ont d’abord utilisé des plaques d’acier pour le renforcement des structures. L’idée principale qui a guidé le dimensionnement des structures renforcées a été émise par L’HERMITE. C’est en 1964, en Afrique du Sud, que remonte le premier cas d’utilisation des plaques d’acier ancrées sur la surface tendue pour augmenter la résistance en flexion des poutres en béton armé d’un pont.

Les premières utilisations des FRP ont été effectuées principalement dans le domaine de l’aérospatiale, du génie mécanique, des transports publics et dans la fabrication des articles de sport de haut niveau. C’est à la fin des années 60 que des recherches ont commencé pour l’utilisation de barre en FRP à base de fibre de verre comme substitut aux armatures d’acier à Rutgers University au New Jersey [AGO 99].

Les plaques de FRP à base de carbone ou de verre, ont été utilisées au départ comme protection contre la corrosion. Elles ont l’avantage d’éliminer le problème de limitation des longueurs, puisqu’elles peuvent à priori n’importe quelle dimension. De plus, elles se sont avérées très efficaces pour augmenter la résistance en flexion et en cisaillement, quand elles sont collées en forme de plaques sur les faces extérieures des éléments en béton armé. Ainsi, plusieurs renforcements ont été effectués sur les poutres, murs, dalles et sur des colonnes en béton armé (voir figure 1.1).

Eléments de structure pouvant être renforcé par matériaux composites
Fig. 1.1. Eléments de structure pouvant être renforcé par matériaux composites [NET 03]

La première utilisation importante de matériaux composites s’est faite en Suisse en 1991, pour la réhabilitation du pont Kattenbusch, en Allemagne. Ce pont est constitué de poutres caissons continues sur 11 travées. L’effet des gradients de température a amené une fissuration prématurée au niveau de certains joints. Un renforcement avec des plaques de fibre de verre a été utilisé (voir figure 1.2).

L’utilisation des matériaux composites pour la réhabilitation et le renforcement devient une solution préconisant un remplacement tout aussi efficace que l’acier. A titre comparatif, le tableau 1.1 donne les avantages des composites sur l’acier.

Au sommaire

  1. INTRODUCTION
    1.1. État actuel des infrastructures
    1.2 Propriétés des matériaux composites
    1.2 Application des composites dans la construction en génie civil
    1.2.1 Utilisation des barres de FRP la fabrication des poutres en béton armé
    1.2.2 Utilisation de barre de FRP pour des ancrages souterrains
    1.3 Réhabilitation des structures à l’aide de FRP
    1.3.1 Réhabilitation des colonnes
    1.3.2 Réhabilitation des murs
    1.3.3 Réhabilitation des dalles
    1.3.4 Réhabilitation des poutres
    1.4 Objectif du mémoire
    1.5 Méthodologie
  2. PATHOLOGIE DES BÉTONS
  3. Généralités
    2.1 Altérations d’origine chimique
    2.1.1 Action du gaz carbonique
    2.1.1 Action des chlorures
    2.1.2 Action des sulfates
    2.1.3 Action des eaux
    2.1.3.1 Action des eaux naturelles
    2.1.3.2 Action des eaux pures et eaux douces
    2.1.3.3 Action des eaux de pluies
    2.1.3.4 Action des eaux de mer
    2.1.4 Réactions alcalis-granulats
    2.1.5 Autres altérations d’origine chimique ou bactériologique
    2.1.5.1 Milieux acides
    2.1.5.2 Milieux basiques
    2.1.5.3 Solutions salines
    2.1.5.4 Dégradations microbiennes
    2.2. Altérations d’origine physico-chimique
    2.2.1. Retraits
    2.2.2. Gel-dégel
    2.3 Altérations d’origine mécanique
    2.3.1. Altérations due aux chocs
    2.4. Altérations dues aux forts gradients thermiques
    2.5 Altérations d’origine sismiques
    2.6. Altérations dus aux erreurs d’exécution
    2.6. La corrosion
    2.6.1 La propagation de la corrosion.
    2.6.1.1 La nature électrochimique de la corrosion.
    2.6.1.2 Les facteurs aggravants de la corrosion.
    2.6.2 Les conséquences de la corrosion et le lien avec la structure.
    2.6.3 L’influence de la corrosion sur le comportement des structures en BA
    2.6.3.1. Modèles de vieillissement de structures corrodées.
    2.6.3.2. Relation entre la fissuration et la corrosion.
    2.6.3.3 Les conséquences de la corrosion sur l’adhérence entre l’acier et le béton.
    2.6.3.4 Effets de la corrosion sur le comportement de structures fléchies.
  4. PROPRIETES DES MATERIAUX
    3.1. Propriétés du béton
    3.1.1. Béton en compression
    3.1.2. Béton en traction
    3.2. Propriétés de l’acier
    3.2.1. Première forme bilinéaire
    3.2.2. Deuxième forme bilinéaire
    3.2.3. Forme complète
    3.3. Propriétés des matériaux composites
    3.3.1. Classification des composites
    3.3.2. Caractéristiques mécaniques des composites
    3.3.3. Théorie des laminés
    3.4. Matériaux disponibles sur le marché algérien
  5. APPROCHE THEORIQUE
    4.1 Résistance en flexion d’une poutre renforcée
    4.1.1 Moment résistant avec une longueur de développement suffisante
    4.1.2 Moment résistant avec une longueur de développement insuffisante
    4.1.3 Déformation initiale de la fibre la plus tendue.
    4.2. Mode de rupture
    4.3 Relation moment-courbure
    4.4 Transition du mode I au mode II
    4.5 Transition du mode II au mode III
    4.6 Comportement charge-flèche
    4.6.1. Calcul suivant les équations du CEB-FIP 90-Eurocode 2
    4.6.2. Calcul suivant la courbe (M-φ)
    4.7. Exemple de calcul
    4.7.1. Mode de rupture
    4.7.2. Point de fissuration
    4.7.3. Point de plastification
    4.7.4. Limite ultime de la poutre
    4.7.5. Comportement charge-flèche
    4.7.5.1. Selon la courbe M-φ
    4.7.5.2. Selon les équations de l’Eurocode2/CEB FIP 90
    5.8. Résistance à l’effort tranchant d’une poutre renforcée
    5.8.1. Calcul suivant la méthode standard
    5.8.2. Calcul suivant la méthode des bielles d’inclinaison variable
  6. APPROCHE NUMERIQUE
    5.1. Echelle de modélisation
    5.2. Modélisation du béton
    5.3. Modèle SBETA utilisé pour le béton dans ATENA®
    5.3.1. Concept du modèle SBETA
    5.3.2. Relation contrainte déformation pour le béton
    5.3.2.1. Loi uniaxial équivalente
    5.3.2.2. Traction avant fissuration
    5.3.2.3. Traction après fissuration
    5.3.2.4. Compression avant contrainte maximale
    5.3.2.5. Compression après contrainte maximale
    5.3.3. Etat biaxial de contrainte
    5.3.4. Contrainte de cisaillement et rigidité après fissuration
    5.3.5. Résistance à la compression après fissuration
    5.3.6. Résumé de contraintes dans le modèle SBETA
    5.3.7. Paramètres du modèle SBETA
    5.4. Modélisation de l’acier d’armature
    5.5. Modélisation de l’adhérence acier béton
    5.5.1. L’adhérence acier béton
    5.6.2 Possibilité de modélisation de l’interface acier-béton
    5.6.3. Modèle de loi de comportement l’interface acier-béton
    5.6. Modélisation du composite
    5.7. Modélisation de colle
  7. RESULTATS DE LA MODELISATION
    6.1. Eléments et maillage utilisés
    6.2. Calcul avec le modèle SBETA
    6.3. Conclusion
    6.4. Modélisation d’une poutre en béton armé renforcée par matériaux composites
    6.4.1. Paramètres du composite
    6.4.2. Paramètres de la colle
    6.5. Maillage
    6.6. Résultats du renforcement
    6.6.1 Courbe charge-flèche
    6.6.2 Analyse des contraintes dans l’armature et les lamelles
    6.7. Fissuration – rupture
    6.8 Simulation du comportement d’une poutre endommagée et réparée
  8. TECHNIQUE DE MISE EN OEUVRE
  9. ETUDE D’UN CAS REEL : RENFORCEMENT DES POUTRES DE LA
    SALLE DE CONFERENCE DE L’UNIVERSITE DE BOUMERDES
    8.1. Introduction
    8.2. Séisme du 21 mai 2003 et répliques
    8.3. Description de l’ouvrage
    8.4. Etat de la structure
    8.4.1 Après le séisme du 21 mai 2003
    8.4.2 Au mois d’avril 2004, avant la mise en œuvre du renforcement des poutres
    8.5. Hypothèse spécifiques
    8.6. Analyses de la structure
  10. CONCLUSION
    BIBLIOGRAPHIE
    NETOGRAPHIE

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