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Maintenance et entretien des ouvrages Le renforcement de poutres en béton armé par plaques d’acier ou de matériau composite Janvier 2008 INSA de Rennes Laurent Molez

Renforcement par plaque d’acier ou de matériau composite 2

1 PROBLÉMATIQUE ............................................................................................................ 3

2 RENFORCEMENT PAR PLAQUES D’ACIER ............................................................... 3

2.1 MISE EN ŒUVRE ............................................................................................................ 4 2.2 PROBLÈMES RENCONTRÉS ET SOLUTIONS ...................................................................... 5

3 RENFORCEMENT PAR PLAQUES EN MATÉRIAU COMPOSITE .......................... 9

3.1 PROPRIÉTÉS DES FRP .................................................................................................... 9 3.2 UTILISATION DES FRP ................................................................................................... 9 3.3 LE RENFORCEMENT EN FLEXION .................................................................................. 10

3.3.1 Mise en œuvre ......................................................................................................... 10 3.3.2 Modes de rupture en flexion ................................................................................... 10 3.3.3 Principe de dimensionnement ................................................................................. 10 3.3.4 Les performances des FRP en flexion .................................................................... 11 3.3.5 Les modes de ruptures fragiles ............................................................................... 12

3.4 LE RENFORCEMENT CISAILLEMENT ............................................................................. 13 3.5 LA DURABILITÉ DES RENFORCEMENTS EN FRP ............................................................ 13

4 CONCLUSION ................................................................................................................... 13

5 BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................. 14


1 Problématique La construction de structures en béton (infrastructure routière, bâtiment,

stationnement étagé, …) s’est intensifiée après la seconde guerre mondiale. Un grand nombre de ces ouvrages en béton présente des altérations de leurs matériaux constitutifs ou des désordres structuraux (dus par exemple, à une mauvaise conception, une mauvaise construction ou des changements dans les conditions limites : affouillement, glissement de terrain, …). D’autres peuvent ne plus répondre aux conditions d’utilisations qui ont évolué au cours des années.

La solution démolition-reconstruction étant généralement trop coûteuses différentes alternatives sont envisageables [Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 4.2; Pakvor, 1995]. La réparation de surface, la protection du béton, la régénération des matériaux, l’ajout de forces et l’ajout de matière sont des solutions qui peuvent être adaptées à différents niveaux ou importance de désordres.

Dans le cas de notre bibliographie une seule de ces alternatives va être étudiée : la solution de l’ajout de matière. Parmi les différentes techniques d’ajout de matière seul le collage de plaques d’acier ou de matériau composite va être traité.

2 Renforcement par plaques d’acier L’utilisation de plaques d’acier collées afin de renforcer des insuffisances locales ou

globales s’est développée ces dernières années. C’est une technique économique qui modifie peu l’aspect et les dimensions de la structure à réparer. Ces plaques sont généralement facilement inspectables pour faire le suivi des dégradations. Le collage de la plaque à la surface du béton assure un bon transfert des efforts et permet ainsi une augmentation de la résistance et de la raideur de la structure renforcée. Les plaques d’acier collées peuvent être utilisées afin d’effectuer un renforcement en flexion, en cisaillement ou pour confiner des colonnes en béton (cf. Figure 1).

Figure 1 : Renforcement par plaque d’acier (flexion,

cisaillement, confinement) [Pakvor, 1995]


2.1 Mise en œuvre Diverses conditions doivent être réunies pour obtenir les meilleurs résultats en

effectuant un renforcement par plaques d’acier. Il faut vérifier que la structure elle-même peut recevoir ce type de modification et que d’autres défauts n’apparaîtront pas suite au renforcement. Différentes étapes doivent alors être suivies [Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 9] : - nettoyage de la surface pour éliminer tous défauts pouvant nuire à l’adhérence de

la plaque d’acier avec le béton (burinage, bouchardage, sablage, …); - réagréage des zones où l’enrobage des aciers est insuffisant; - encollage du béton et de la plaque d’acier; des résines époxy sont généralement

utilisées; un primaire d’accrochage peut être utilisé afin d’assurer une bonne adhérence entre la colle et le béton et la colle et l’acier;

- serrage des plaques d’acier à l’aide de dispositifs constitués de serre-joints, de barres filetées, d’étais ou de coins permettant d’appliquer une pression uniforme pendant toute la durée de polymérisation de la colle (Figure 2); les plaques d’acier auront été préalablement façonnées en usine;

- protection des aciers contre la corrosion et contre le feu afin de respecter les conditions de stabilité au feu;

- contrôle de la bonne exécution des travaux (contrôle du collage et de l’efficacité du renforcement).

Figure 2 : Exemples de dispositif de serrage


2.2 Problèmes rencontrés et solutions Les problèmes rencontrés peuvent être classés selon trois types : les problèmes de

mise en œuvre, les problèmes de durabilité et les problèmes de comportement mécanique. Le paragraphe précédent montre de façon évidente la lourdeur de la mise en œuvre nécessitant des moyens de manutention important [Meier, 1995] et une préparation des plaques d’acier en usine. Une mise en œuvre sur des surfaces non droites est difficile. Des problèmes de corrosion sont souvent rencontrés lorsque la protection des plaques d’acier est déficiente. Dans le cas du renforcement de poutres de ponts, l’expérience [Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 4.2] a montré que les plaques d’acier collées résistaient mal au choc (véhicules hors gabarit). Theillout [Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 9] indique quatre problèmes mécaniques lors de l’utilisation de plaques collées extérieures au béton : - la mise en flexion locale de la plaque au voisinage d’une fissure; - la répartition des efforts dans l’empilement de plusieurs plaques d’acier; - la distribution des déformations entre les aciers internes et les aciers collés; - le décollement de la plaque.

Une étude paramétrique de la mise en flexion locale de la plaque effectuée par

Theillout montre en effet que dans les cas courant où on utilise des plaques d’épaisseur de l’ordre de 3 à 5 mm, appliquées sur des poutres en béton de 100 à 200 mm de hauteur avec un joint de colle de 1 à 2 mm, la plastification de la plaque est atteinte localement pour un effort 30 à 35% inférieur à celui qui aurait été nécessaire pour qu’elle se plastifie en traction simple.

Une étude numérique effectuée au LCPC à Paris [Richier, 1985] a montré que dans le cas de deux plaques superposées de section similaire la plus proche du béton reprend les 2/3 de l’effort et que dans le cas de trois plaques la plus proche reprend la moitié de l ‘effort et les deux autres plaques reprennent de façon égale l’autre moitié de l’effort. Theillout en conclu que des précautions doivent être prises lors des calculs de vérification pour de tel renforcement.

Lors d’une étude expérimentale sur des poutres en béton armée renforcées par des plaques métalliques [Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 9], Theillout montre que l’hypothèse des déformations planes mène à une sous estimation des déformations dans les plaques métalliques. Il obtient effectivement des déformations mesurées pouvant être 20% supérieure à celle obtenue par calcul en faisant cette hypothèse. Il propose alors un diagramme de distribution des déformations dans une section fissurée de béton armé soumise à la flexion tenant prenant en compte une déformation plus importante dans les plaques (Figure 3). Ce diagramme est toutefois difficilement exploitable pour le dimensionnement. Theillout propose alors d’effectuer le dimensionnement par un calcul de béton armé classique en appliquant des coefficients minorateurs sur les sections d’acier interne et externe dans le cas des états limites de service, et diminuer la contrainte limite élastique dans les plaques d’acier afin de prendre en compte la flexion locale dans le cas des états limites ultimes. D’autres auteurs [Ziraba et coll., 1994] gardent toutefois une approche avec une distribution linéaire des déformations.


Figure 3 : Diagramme de distribution non linéaire des

déformations [Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 9] Le décollement est certainement le problème le plus souvent rencontré lors de

renforcement par plaques d’acier. En effet la partie sensible du renforcement par ajout de matière sur parements est l’interface entre le matériau de la poutre et le renfort [Ziraba et coll., 1994; Hussain et coll., 1995; Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 9; Oehlers et coll, 1998]. On observe souvent une rupture par décollement de la plaque d’acier par propagation d’une fissure à l’interface colle/béton, ou immédiatement au-dessus de l’interface dans le béton (Figure 4). Ce décollement est dû à une forte concentration d’efforts de cisaillement et normaux à l’extrémité de la plaque. Un décollement peut aussi avoir lieu entre les deux extrémités de la plaque lorsque le cisaillement à l’interface dépasse la résistance de la colle.

Un calcul analytique [Ziraba et coll.] afin de vérifier le non-décollement de la plaque

limite généralement l’épaisseur de la plaque et ainsi le renforcement attendu. D’autres solutions consistent à empêcher le décollement de la plaque aux extrémités. [Hussain et coll., 1995] propose d’ancrer les extrémités par boulonnage dans le béton, Theillout [Calgaro et Lacroix, 1997, Chap. 9] utilise un système de verrou (Figure 5) et Oehlers et coll. limitent les efforts transmis aux extrémités en collant des plaques d’aciers sur les parois transversales de la poutre.


Figure 4 : Rupture par décollement de la plaque à

l’interface colle/béton ou dans le béton [Ziraba et coll., 1994]


(a)

(b)

(c)

Figure 5 : Système d’ancrage des extrémités des plaques

collées.


3 Renforcement par plaques en matériau composite Afin de remédier aux problèmes liés à l’utilisation des plaques d’acier, des travaux

de recherche ont été entrepris afin de remplacer ces plaques d’acier par des plaques constituées par un matériau non corrosif, léger et à haute résistance. L’emploi de composés plastiques renforcés de fibres (FRP pour « fiber reinforced plastics ») semble tout à fait concluant. L’objectif est toujours le même : augmenter la résistance et la rigidité par une action composite de la plaque et de la poutre en béton armé.

3.1 Propriétés des FRP Les FRP sont des matériaux composites constitués de fibres à haute résistance

(verre, carbone ou aramide) imprégnées dans une matrice (polyester, vinylester, époxy, …). Une couche de fibres imprégnées dans sa matrice constitue un pli. L’empilement de plusieurs plis les uns sur les autres forme un laminé. Ces plis peuvent être orientés (fibres dans une seule direction), tissés (plusieurs directions préférentielles) ou mat (sans aucune orientation préférentielle). Les FRP sont caractérisés par une très grande résistance à la traction (1000 à 2500 MPa) et une grande rigidité (100 à 300 GPa). Les FRP peuvent être obtenus par différents procédés de fabrication : la pultrusion qui consiste à faire circuler les fibres à travers un bain de résine et de mouler le mélange dans un étranglement final qui donne la forme finale de la pièce, et le laminage manuel ou automatique qui consiste à imprégner un tissu de fibre dans la résine.

La fibre la plus couramment utilisée est la fibre de carbone qui présente une haute résistance et un haut module d’élasticité (Tableau 1).

Tableau 1 : Propriétés des fibres employées dans les FRP

Fibres Masse volumique

(g/cm3)

Module d’élasticité

(GPa)

Résistance à la traction

(MPa)

Allongement à la rupture (%)

Verre 2,1-2,6 52-84 2410-4800 4,8-5,4 Aramide 1,44-1,47 83-186 3470-3620 2,0-4,0 Carbone (haute résistance)

1,78 200 2800 1,0

Carbone (haut module)

1,80 400-500 2200 0,5

3.2 Utilisation des FRP Les FRP sont déjà utilisés pour la réparation et le renforcement de structures.

Ballinger (1997) fait état de renforcement de piles de pont (renforcement en flexion, en cisaillement, séisme), de cheminées, poutres et tabliers de pont et de bâtiment (bien que plus rarement). Malgré le prix très important du matériau lui-même (4 à 20 fois plus cher que l’acier), leur utilisation est économiquement justifiée par les économies lors de la mise en place [Meier, 1995].


3.3 Le renforcement en flexion

3.3.1 Mise en œuvre Le renforcement en flexion s’effectue en collant une plaque de FRP sur la face

tendue du béton. Comme pour le collage des plaques d’acier le renforcement par FRP nécessite la préparation du support par sablage. Un primaire d’accrochage peut être utilisé pour préparer la surface de collage. Le FRP est alors appliqué et imprégné de résine par pression au rouleau ou à la spatule. Une cure de plusieurs jours est alors nécessaire pour que la résine développe les caractéristiques demandées [Shahawy et Beitelman, 1996; GangaRao et Vijay, 1998; Juvandes et coll., 1998; Duquette, 1998].

3.3.2 Modes de rupture en flexion Duquette (1998) effectue dans son mémoire de maîtrise une description exhaustive

des modes de rupture possible en flexion. Nous reprenons ici les grandes lignes de ces modes de rupture.

(1) Plastification de l’acier. La plastification de l’acier ne mène pas immédiatement à la rupture. Les efforts continue à s’emmagasiner dans le composite et le béton. Il peut alors s’ensuivre une rupture en tension de la plaque composite (1.1) ou une rupture par compression du béton (1.2).

(2) Rupture en compression du béton (poutre sur-armée). (3) Décollement continu de la plaque. (4) Cisaillement dans le béton dans la zone en tension. (5) Rupture de l’acier en tension (dans le cas de la fatigue uniquement). (6) Rupture de cohésion de la colle. (7) Rupture de la colle à l’interface plaque/colle. (8) Rupture de la colle à l’interface béton/colle. (9) Cisaillement interlaminaire dans la plaque. Meier (1995) identifie les mêmes modes de rupture. Il fait remarquer que certains de

ces modes sont fragiles (2; 3; 4; 5) et que le dimensionnement doit être effectué en visant la plastification des aciers afin d’obtenir une rupture ductile.

3.3.3 Principe de dimensionnement Les travaux de recherche effectués à l’EMPA [Meier, 1995] ont indiqué que le calcul

du comportement en flexion des éléments de béton armé renforcés peut être effectué selon principe du béton armé. L’hypothèse de base est la compatibilité des déformations. Duquette (1998) a effectué une étude analytique pour effectuer un dimensionnement dans les modes 1 et 2. Il prend en compte le comportement contraintes-déformations idéalisé de chacun des matériaux. Les hypothèses supplémentaires sont qu’il n’y a aucun glissement relatif entre la plaque et le béton et que les résistances en traction de la colle et du béton sont négligeables. Duquette traite alors les 3 cas suivant : plastification des aciers et rupture du composite en traction, plastification des aciers et rupture du béton en compression et enfin rupture du béton en compression sans plastification des aciers.


3.3.4 Les performances des FRP en flexion Dans le cas de poutre en T, Shahawy et Beitelman (1996) rapportent des gains en

résistance de l ‘ordre de 60% (Figure 6) et des gains en raideur de 300%. Il faut toutefois remarquer que le gain en résistance se fait en contrepartie d’une perte en ductilité. Ce gain de raideur très important n’est pas systématiquement rapporté par d’autres auteurs.

Dans le cas de poutre rectangulaire enveloppée de FRP, GangaRao et Vijay (1998) avancent les conclusions suivantes : les gains en résistance obtenus sont de l’ordre de 60 à 100%, le gain en résistance est fonction du nombre de couches de laminé appliquées, le renforcement de poutres endommagées est aussi efficace que le renforcement de poutres saines, la plastification des aciers internes dans le cas de poutres renforcées apparaît pour une charge 25% supérieure à celle obtenue pour des poutres non renforcées, et enfin que la théorie des poutres (distribution linéaire des déformations) est applicable pour le calcul de la charge ultime.

Pour des poutres rectangulaires renforcées en face tendue, Juvandes et coll. (1998) déduisent de leurs essais expérimentaux les points suivants : le renforcement par des FRP permet une augmentation significative de la résistance ultime et contrairement à Shahawy et Beitelman (1996) la raideur de l’élément renforcé est seulement légèrement augmentée, la qualité de collage entre le laminé et le béton contrôle fortement l’efficacité du renforcement par FRP et l’ancrage du laminé aux extrémités permet d’augmenter la charge ultime en évitant une délamination prématurée.

Duquette (1998) confirme ces conclusions quant à l’augmentation de la charge ultime tout en remarquant que les gains théoriques (mode de rupture 1 et 2) pourraient être nettement plus élevés, si la poutre pouvait résister au mode de rupture 3 à 9. Il confirme que la distribution des déformations demeure linéaire pendant presque tout le chargement. Il fait enfin remarquer que le renforcement à l’aide d’un matériau fragile à pour effet de diminuer la ductilité de l’élément renforcé. Il insiste donc sur le soin qui doit être pris lors de l’utilisation de tels matériaux afin de permettre le sacrifice de la ductilité au profit d’un gain de résistance sans perte toutefois de sécurité.


Figure 6 : Comportement de poutres en T renforcées par

des FRP. La courbe inférieure est la poutre de contrôle [Shahawy et Beitelman, 1996]

3.3.5 Les modes de ruptures fragiles Une étude a été effectuée par Swamy et Mukhopadhyaya (1999) sur le décollement

des plaques de FRP. Ils ont utilisé des poutres rectangulaires renforcées sur la face inférieure par un tissu polymère. Afin d’éviter le délaminage différents types d’ancrage ont été testés. Des U métalliques ont servi pour ancrer les extrémités des plaques de FRP. Des plaques de cisaillement ont été collées en différents endroits des faces latérales. Les auteurs ont remarqué une forte importance de la qualité du béton pour pouvoir utiliser à pleine capacité le renforcement. Ils montrent aussi la faible influence du renforcement interne contre le cisaillement (étriers, cadres) sur le phénomène de délaminage. Le confinement latéral permet d’optimiser l’utilisation du renforcement à l’aide de FRP. Ils concluent, comme Duquette précédemment, que l’optimum d’utilisation de FRP ne peut être atteint que si on évite le délaminage des plaques de FRP. Les jambes de forces métalliques utilisées dans cette étude semblent toutefois efficaces pour éviter ce délaminage.

Une étude analytique effectuée par Malek et coll. (1198) montre que comme dans le cas des plaques d’acier des phénomènes locaux peuvent amener à une rupture prématurée du renforcement. L’analyse donne une contrainte de cisaillement maximale ainsi qu’un effort normal interfacial maximum aux extrémités de la plaque. Les auteurs mettent en évidence un effort de cisaillement maximal au droit d’une fissure. Afin d’éviter ce type de délaminage aux extrémités, on peut utiliser des jambes de force en FRP remontant sur les faces latérales de la poutre afin de bien ancrer les extrémités des plaques en sous face.


3.4 Le renforcement cisaillement Les plaques de FRP peuvent aussi servir pour effectuer un renforcement en

cisaillement. Yoshiyuki Mitsui et coll. (1998) utilise des plaques collées sur les faces latérales des poutres à renforcer. Deux couches de laminé à direction préférentielle sont collées. La première selon l’axe verticale de la poutre. La seconde selon l’axe horizontale de la poutre. Des essais sur des poutres endommagées sont effectués. Les auteurs montrent lors de cette étude que le renforcement en cisaillement à peu d’influence sur l’initiation de la fissuration. Par contre les gains de résistance en cisaillement vont de 30 à 80%. Les auteurs n’observent pas de délamination prématurée des plaques de FRP.

3.5 La durabilité des renforcements en FRP Peu d’études ont été effectuées sur la durabilité des renforcements par FRP. Que se

passe-t-il lorsque la corrosion des aciers internes se poursuit après le renforcement ? Comment se comporte le joint de colle sous des cycles de gel/dégel ? Quelle est la résistance au feu des FRP ? Quelle est le vieillissement des FRP dû à la lumière du jour?

Une étude de Debaiky et coll. montre que le renforcement par FRP n’est pas toujours parfaitement étanche et les éléments agressifs peuvent atteindre les aciers internes et provoquer leur corrosion. Des chlorures peuvent être emprisonnés derrière la barrière crée par le laminé. On peut aussi observer de la corrosion très localisée là où aucun renforcement n’a été effectué alors que tout le reste de l’élément est renforcé.

Meier (1995) indique effectivement que la résine subit un vieillissement lors d’une exposition prolongée à la lumière. De même les fibres de carbones peuvent perdre certaine de leur qualité. Il rappelle toutefois que généralement les renforcements ne se font pas en zone directement éclairée. Si la situation l’exige une protection devra être envisagée.

Une étude effectuée à EMPA [Meier, 1995] sur la durabilité au feu montre qu’un renforcement avec FRP permettent d’obtenir une tenue au feu plus longue que celle de l’élément non renforcé. En effet les FRP possèdent une conductivité thermique très faible.

4 Conclusion L’utilisation de plaques d’acier ou de matériau composite permet de renforcer les

structures de façon significative que ce soit en flexion ou en cisaillement. Des modèles analytiques basés sur la théorie des poutres et le calcul de béton armé prédisent de façon relativement satisfaisante les charges ultimes et le comportement de structures ainsi renforcées. Il faut toutefois prendre des précautions quant aux problèmes locaux pouvant mener à une rupture fragile. Plusieurs auteurs se sont penchés sur ces problèmes. La difficulté réside toutefois dans la résolution du système de joint collé et les solutions analytiques sont très difficiles à obtenir compte tenu des discontinuités du modèle. Certaines dispositions constructives permettre de résoudre les problèmes de délaminage. Une étude sérieuse du fonctionnement du renforcement est impérative avant toute mise en œuvre.


5 Bibliographie • Callinger, C. A., Strengthening of engineering structures with carbon fiber

reinforced plastics – An overview of history and current worldwide usage, 42nd International SAMPE Symposium, 4-8 May, 1997.

• Calgaro, J.-A. et Lacroix, R., Maintenance et réparation des ponts, Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussée, 1997.

• Debaiky, A., Green, M. F. and Hope, B., FRP rehabilitation of corrosion-damager concrete structures, 44th international SAMPE Symposium, May 23-27, 1999.

• Duquette, P., Renforcement en flexion de poutres en béton armé à l’aide de plaque en matériau composite réalisées in-situ, Mémoire de maîtrise de l’Université Laval, février 1998.

• GangaRao, H. V. S., and Vijay, P. V., Bending behavior of concrete beams wrapped with carbon fabric, Journal of structural engineering, January 1998.

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