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Projet de Fin d’études Spécialité Génie Civil

Simulation numérique du renforcement de structures en béton armé par des renforts en fibres végétales et comparaison au renforcement par des fibres de carbone

Auteur : Pierre-Alexandre BRIEMEL

Elève ingénieur, INSA de Strasbourg, spécialité Génie Civil

Tuteur de l’université d’accueil : Jesiel CUNHA

Docteur en Comportement mécanique des matériaux, UFU, Uberlândia, Brésil

Tuteur INSA : Georg KOVAL

Maître de conférences à l’INSA de Strasbourg

Soutenu en septembre 2013

Simulation numérique du renforcement de structures en béton armé par des fibres végétales et comparaison au renforcement par des fibres de carbone 1

Résumé

Ce rapport traite sur le renforcement de structures en béton armé à l’aide de bandes de renfort. Une

étude comparative est menée entre les renforts composés de fibres de carbone et ceux composés de

fibres végétales. Cette étude a pour objectif de déterminer si les renforts de fibres de ramie

comportent des caractéristiques intéressantes et peuvent se présenter comme une alternative aux

renforts composés de fibres de carbone.

Le principe d’étude est basé sur la comparaison entre le comportement des renforts en fibre de

carbone et des renforts en fibres végétales. La première partie de l’étude est une approche

numérique, le renfort en fibre de carbone est dimensionné pour une structure soumise à un

chargement donné. Cette structure renforcée à l’aide de fibres de carbone est ensuite simulée

numériquement. Cette étape est répétée mais cette fois avec un renfort en fibre végétal et on évalue

l’épaisseur du renfort nécessaire pour obtenir les mêmes contraintes et déformation dans la

structure renforcée par des bandes composées de fibres de carbone.

La dernière partie de ce rapport concerne une étude expérimentale des renforts en fibre de ramie. Le

comportement de poutres en béton armé non renforcées, renforcées par des renforts de fibres de

carbone et naturelles est comparé par des essais de flexion.

Abstract

This report focuses on the strengthening of reinforced concrete structures with reinforcing strips. A

comparative study is conducted between the reinforcement composed of carbon fibers and

composed of ramie fibers. This study aims to determine if reinforcements with fiber of ramie have

interesting properties.

The study is based on the comparison between the behavior of reinforcement composed of carbon

fibers and reinforcement composed of ramie fibers. The first part of the study is a numerical

approach, the reinforcement of carbon fiber is designed for a loaded structure. This reinforced

structure using carbon fiber is then numerically simulated. In a second time, the same loaded

structure is simulated but with reinforcement composed of ramie fibers. The thickness of the

reinforcement of ramie fibers required is estimated in order to obtain the same stress and the same

vertical displacement in the reinforced concrete structure than these reach in the structure

reinforced with carbon fiber strips.

The last part of this report concerns an experimental study of ramie fiber reinforcements. The

behavior of reinforced concrete beams unreinforced, reinforced with carbon fiber reinforcements

and natural is compared by bending tests. It aims at showing if the reinforcement with ramie strips is

a valuable solution in the civil engineering area.


Remerciements

Je tiens à remercier tout d’abord mon tuteur de l’Université Fédérale d’Uberlândia, M. Jesiel CUNHA

pour l’aide qu’il m’a apportée. Il m’a accordé une grande liberté dans la conduite de mon projet. Les

conseils qu’il a pu me donner et les pistes d’études qu’il m’a soumis se sont révélés être d’une

grande aide. M. Cunha a su prendre de son temps pour répondre à toutes mes questions au sujet des

matériaux composites utilisés dans le Génie Civil, un domaine qui m’était jusque-là peu connu.

J’aimerais également remercier M. Koval pour ses conseils dans la rédaction de ce mémoire et dans

la préparation de ma soutenance. Il a aussi su me guider lorsque je rencontrais des difficultés tout au

long de ce projet.

Ensuite je tiens remercier tous les membres du Programa de Educação Tutorial de Génie Civil, ils ont

su m’aider à m’intégrer à l’UFU, ils m’ont entouré et m’ont toujours soutenus lors de ces sept mois

passés au Brésil. Ils ont été à mon écoute et même si par leurs fonctions ils étaient toujours très

occupés, ils ont toujours trouvé le temps pour répondre à mes questions.

Je tiens également à remercier Mme Raquel SANTINI LEANDRO RADE, et l’ensemble des personnes

du service des relations internationales de l’Université Fédérale d’ Uberlândia. Ils ont su m’orienter

tout au long de mon échange.

En outre, j’aimerais remercier ma famille pour le soutien qu’elle m’a apporté tout au long de ma

scolarité, elle m’a montré que la curiosité et l’ouverture d’esprit est un élément qui doit faire part

entière de la formation. Ella m’a offert l’opportunité de m’orienter selon mes ambitions tout en

m’épaulant dans mes choix.

Je remercie l’ensemble des brésiliens que j’ai rencontré tout au long de mon séjour pour leur accueil

chaleureux, leur générosité et leur ouverture d’esprit. Ils m’ont permis de me sentir chez moi tout au

long de mon séjour, et de profiter de chaque instant de cette incroyable expérience.

En dernier lieu, je tiens aussi à remercier mes amis restés en France, qui m’ont épaulé tout au long

de mon séjour au Brésil, ils ont été essentiels à ma réussite de ce projet.


Sommaire 1. Problématique ................................................................................................................................. 6

2. Généralités sur le renforcement de structure en béton armé ........................................................ 7

2.1. Historique ................................................................................................................................ 7

2.2. Présentation des matériaux composites ................................................................................. 8

2.2.1. Présentation des fibres .................................................................................................. 10

2.2.2. Présentation de la matrice ............................................................................................ 12

2.2.3. Procédés de fabrication ................................................................................................. 13

2.2.3.1. Pultrusion .................................................................................................................. 14

2.2.3.2. La fabrication du renfort in-situ ................................................................................ 14

2.3. Comportement mécanique ................................................................................................... 15

2.3.1. Le béton armé ............................................................................................................... 15

Comportement du béton .............................................................................................................. 15

Comportement de l’acier .............................................................................................................. 16

2.3.2. Comportement du matériau composite ....................................................................... 16

2.3.3. Interface béton armé/renfort ....................................................................................... 19

2.4. Utilisation dans le Génie Civil ................................................................................................ 20

2.4.1. Renforcement de poutres ............................................................................................. 20

2.4.2. Renforcement de dalles ................................................................................................ 22

2.4.3. Renforcement des poteaux ........................................................................................... 22

3. Méthode de dimensionnement des renforts ................................................................................ 24

3.1. Les éléments horizontaux .................................................................................................. 24

3.1.1. Poutre de section rectangulaire soumise à la flexion simple ........................................ 24

3.1.2. Dalle rectangulaire soumise à la flexion simple ............................................................ 25

3.1.3. Méthodologie de calcul ................................................................................................. 26

3.1.4. Exemple ......................................................................................................................... 28

3.2. Eléments verticaux ............................................................................................................ 31

3.2.1. Poteau soumis à une charge centrée ............................................................................ 31

3.2.1.1. Détermination des capacités du poteau existant ...................................................... 31

3.2.1.2. Détermination de la quantité de renfort nécessaire ................................................. 31

3.2.1.3. Détermination du nombre de couches de renfort sont nécessaires ......................... 32

3.2.1.4. Vérifications à effectuer ............................................................................................ 32

3.2.2. Poteau soumis à une charge excentrée ........................................................................ 33

3.2.3. Exemple ......................................................................................................................... 35


3.2.3.1. Calcul de la charge admissible par le poteau ............................................................ 36

3.2.3.2. Détermination de la quantité de renfort nécessaire ................................................. 36

3.2.3.3. Détermination du nombre de couches de renfort nécessaires ................................. 36

3.2.3.4. Vérifications ............................................................................................................... 37

4. Modélisation et simulations numériques ...................................................................................... 40

4.1. Modélisation ...................................................................................................................... 40

4.1.1. Logiciel utilisé ................................................................................................................ 40

4.1.2. Eléments utilisées .......................................................................................................... 40

4.1.2.1. Eléments en béton .................................................................................................... 40

4.1.2.2. Armatures .................................................................................................................. 40

4.1.2.3. Renforts ..................................................................................................................... 41

4.1.3. Modélisation des éléments étudiés .............................................................................. 41

4.1.3.1. Poutres ...................................................................................................................... 41

4.1.3.2. Dalles ......................................................................................................................... 44

4.2. Résultats ............................................................................................................................ 46

4.2.1.1. Poutres ...................................................................................................................... 46

4.2.1.2. Dalles ......................................................................................................................... 47

5. Etude expérimentale ..................................................................................................................... 50

5.1. Fabrication des renforts et détermination de leurs caractéristiques .............................. 50

5.1.1. Préparation des renforts ............................................................................................... 50

5.1.1.1. Essai de traction ........................................................................................................ 51

5.2. Fabrication des éprouvettes .............................................................................................. 52

5.3. Mise en œuvre des renforts .............................................................................................. 52

5.4. Essais.................................................................................................................................. 55

5.5. Résultats ............................................................................................................................ 58

5.5.1. Les poutres sans renforts .............................................................................................. 58

5.5.2. Les poutres renforcées par des fibres de carbones ...................................................... 59

5.5.3. Les poutres renforcées par des fibres de ramie ............................................................ 60

5.5.4. Comparaison des différents résultats ........................................................................... 61

Conclusion ............................................................................................................................................. 62

Références ............................................................................................................................................. 63


Introduction

La présente étude traite du renforcement structurale d’éléments en béton armé. Le renforcement des structures de génie civil a pour but de réparer ou mettre en conformité des ouvrages existants, soit pour des raisons de pertes des propriétés initiales, soit pour des raisons de remise à niveau liées à de nouvelles normes ou de nouveaux usages.

Initialement des plaques d’acier collées sous les éléments en béton étaient utilisées comme

éléments de renforcement, mais elles ont été remplacées progressivement par les matériaux composites. L’utilisation de plus en plus fréquente des matériaux composites s’explique d’un part par leurs meilleures propriétés mécaniques et d’autre part, par l’amélioration des procédés de fabrication et de mise en œuvre durant ces dernières décennies. Devenus plus accessibles sur un plan économique, les matériaux composites sont une solution très attractive pour répondre au besoin de renforcement des bâtiments et des ouvrages d’art.

Les techniques traditionnelles de renforcement de structures en béton armé utilisent le plus souvent les fibres de carbone et de verre. Pour contourner le cout important des fibres de carbone et de verre, l’utilisation de fibres végétales, et notamment celles de ramie, semble être une bonne alternative. En plus de la réduction du coût, ce matériau est plus intéressant du point de vue écologique.

Les fibres végétales sont de plus en plus utilisées comme renfort dans les matériaux de constructions. Elles constituent en effet une ressource renouvelable, naturellement biodégradable, et disposent de bonnes qualités mécaniques et hydriques. Les plus utilisées sont les fibres libériennes, comme le jute, la ramie, le chanvre et le lin, qui peuvent dans certains cas se substituer à la fibre de verre.

Le but de ce travail est de simuler le renforcement de dalles, de poutres et de poteaux en

béton armé, par des fibres végétales de ramie, afin de comparer leur performance par rapport aux fibres de carbone. Ainsi ce travail mettra en avant le comportement mécanique des fibres végétales en tant que matériau de renforcement de structures de Génie Civil. Plusieurs conditions géométriques et aux limites vont être simulées, afin de vérifier l’influence de ces aspects sur la performance du renforcement.

La dernière partie de l’étude concerne l’étude expérimentale de poutres en béton

renforcées. Cette étude va comparer le comportement de poutres courtes non renforcées, renforcées par des fibres de carbone et renforcées par des fibres végétales. Ces essais seront aussi réalisés pour s’assurer de la faisabilité de la mise en œuvre des fibres végétales et la viabilité de la solution technique.


1. Problématique

Le renforcement d’éléments en béton armé est enjeu de plus en plus important, aujourd’hui,

dans une logique évidente de développement durable. C’est un outil permettant d’assurer une vie

plus longue à des ouvrages vieillissant ou changeant d’utilisation. De nombreuses raisons peuvent

justifier des renforcements des édifices : des modifications structurelles, des modifications

d’utilisation ou même des réparations après des séismes.

Le renfort de structures en béton armé par des éléments constitués de fibres peut se présenter

sous deux aspects différents, l’ajout à la structure d’éléments comme des poutres ou des plaques de

fibres ou par le collage à la structure en béton de bandes de renforts. La technique de collage de

matériaux sur des éléments en béton armé se développe depuis plusieurs années. Elle présente

l’avantage de s’adapter facilement à de diverses géométries de structures et d’être facilement mise

en œuvre même si elle nécessite une attention particulière.

Il existe à présent de nombreuses possibilités d’application de cette technique de renforcement.

Dans une structure courante en béton armé il est possible de renforcer plusieurs types d’éléments de

construction, par exemple : les colonnes, les poutres ou les dalles. Cette technique permet

d’améliorer :

la capacité portante

la rigidité

la durée de vie des structures

la durabilité

Dans ce rapport nous avons étudié le comportement d’éléments en béton armé renforcé par des

fibres végétales. Nous nous sommes intéressés aux dalles rectangulaires et aux poutres en béton

armé chargées uniformément sous plusieurs conditions d’appuis, ainsi qu’aux poteaux chargé

axialement et sous une charge excentrée.

Notre étude va se tourner vers le renforcement de structures par collage de matériaux

composites. Elle va détailler l’étude de dalles soumises à de la flexion et renforcées par des fibres de

ramie. Le but de celle-ci est d’établir une méthode permettant de dimensionner les renforts

nécessaires lors d’une application d’une surcharge sur une dalle et de déterminer si le renforcement

composé de fibres de ramie est une alternative viable aux renforcements composés de fibres de

carbone.


2. Généralités sur le renforcement de structure en béton armé

2.1. Historique

Les désordres survenus au niveau des structures sont souvent dus aux dégradations des matériaux

employés, ou au changement de fonctionnalité du bâti (l'accroissement de surcharges

d'exploitation).

La détérioration au cours du temps des matériaux, notamment du béton armé, ou la modification

structurelle des bâtiments impliquent un besoin de développer des technologies de renforcement

efficaces. Les critères prépondérants dans l’évaluation de ces technologies sont les suivants:

La diminution des contraintes de mise en œuvre et de coût de la solution de renforcement

la durabilité de la solution technologique

Une des première méthodes mise au point et qui rencontré un vif succès dans le domaine de la

remise à niveau des structures en béton armé, y compris les structures en béton précontraint, est le

collage de plaques d'acier à la structure.

Le collage des plaques d'acier à des dalles en béton ou à des structures augmente à la fois la

résistance et la rigidité et réduit efficacement les fissures. Néanmoins, à long terme la corrosion de la

tôle peut poser un problème au niveau de son interface avec le béton armé. Dans ce cas, la

détérioration de la tôle peut conduire à l'échec de la réparation et même à la ruine de la structure.

Cette technique présente aussi le désavantage d’être difficile à mettre en œuvre en raison de la taille

et du poids des tôles. La dernière limite d’elle est le prix matériau lui-même, en effet les prix de

l’acier fluctuent énormément.

Une seconde méthode émerge ces dernières années : les techniques de renforcement des structures

au moyen de matériaux composites. Ce procédé utilise le collage de plats ou de plaques composites

(textiles de renforcement unidirectionnels ou bidirectionnels, lamelles, fibres de carbone…) ou la

stratification directe in situ de composites (tissus textiles en verre ou carbone) associés à des

matrices polymères thermodurcissables (résines époxydes, polyester…).

Cette technique de renfort passif est une alternative innovante à la solution traditionnelle utilisant des plats métalliques extérieurs collés. Son utilisation est assez récente, elle remonte à environ à une dizaine d’années dans le Génie Civil. Elle a commencé à être commercialisée dans les années 1980 aux Etats-Unis, au Japon et en Europe. Le développement de cette technologie aux Etats-Unis et en Europe est dû au besoin de renforcer des structures vieillissantes ou ayant changé de fonctionnalité. Au Japon, elle a surtout été développée pour prévenir les risques de détérioration des structures par des séismes. Le séisme de Hyogoken-Nanbu qui dévasta la ville de Kobe en 1995 a été un élément accélérateur de la recherche dans ce domaine.


2.2. Présentation des matériaux composites

Un matériau composite est un matériau composé de deux ou de plusieurs matériaux différents. Le

but d’associer plusieurs matériaux est d’en concevoir un ayant les meilleurs caractéristiques

souhaitées, qu’ils n’ont pas séparément.

Les matériaux composites sont généralement constitués de fibres ou de formes dérivées en phase

dans une matrice. Les fibres peuvent être de nature organique, métallique ou céramique. La matrice

a pour but de maintenir la cohésion, l’orientation et la protection des fibres ainsi que de transmettre

les sollicitations.

Ils peuvent être classés selon plusieurs manières (BERTHELOT, 1992) :

Suivant les constituants : en fonction de la forme des constituants, les matériaux composites

peuvent être classés en deux familles :

o Les matériaux à fibres : les renforts se trouvent sous forme de fibres continues,

coupées ou courtes. Les caractéristiques mécaniques du matériau dépendent de

l’arrangement des fibres ainsi que de leur nature.

o Les matériaux à particules : les renforts se trouvent sous forme de particules, à

l’inverse les particules n’ont pas de dimension privilégiée. Différents types de

particules existent et seront choisis en fonction du gain souhaité. Les particules

peuvent augmenter la rigidité, diminuer l’abrasion ou encore améliorer la tenue au

feu du matériau.

Suivant la nature des constituants : en fonction de la nature de la matrice les matériaux

composites sont classés : composites à matrice organique, à matrice métallique ou à matrice

minérale.

Les travaux de renforcement des structures en béton armé par addition de polymères renforcés aux

fibres de carbone, de verre ou végétales sont une excellente alternative aux systèmes utilisés

traditionnellement pour le renfort ou la protection de structures comme par exemple (ABDESSAMED,

M. 2006) :

Projection du béton : Cette technique est largement répandue, tant sur le plan de

renforcement des structures ou éléments structurels insuffisantes, que sur un plan de

réparation des structures ou éléments structurels défaillantes, et exigeant une mise en

œuvre soignée. Le béton projeté peut éventuellement être associé avec un autre mode de

réparation, qui est le rajout d’armatures d'aciers. Cette méthode de projection de béton peut

être réalisée, soit par voie sèche ou bien par voie humide. Le procédé par voie sèche est

particulièrement recommandé pour la réparation des ouvrages car cette voie permet de

recueillir un béton très compact.

Chemisage des sections de béton : Le procédé classique dont l’efficacité a été largement

vérifiée par l’expérience, consiste à chemiser l’élément en augmentant sa section par mise

en œuvre d’une épaisseur de béton sur tout le périmètre de l’élément primitif. L’utilisation

d’un micro-béton, auto compactable, pour remplir les interstices sans mode de vibration,

peut s’avérer essentielle. La préparation du support est très importante, il est donc

nécessaire de faire des décaissés dans le béton pour améliorer la transmission des efforts, de


traiter les surfaces avec une peinture primaire de résine époxy. S’il s’agit d’un renforcement

avec armatures, il faudra mettre cette armature en place et réaliser le bétonnage par coulage

ou pompage. Lorsqu’il n’est pas possible de faire un chemisage complet des éléments pour le

cas des façades, il faut recourir à d’autres procédés : renforcement par plaques métalliques

ou bien l’épaississement de l’élément en béton sur deux faces opposées. Les éléments de

renfort doivent êtres ancrés dans le béton primitif : soit par boulonnage pour le cas des

platines métalliques, soit par ancrage pour le cas de béton additif.

Renforcement par gainage métallique : Ce type de renforcement est utilisé généralement

pour les poteaux ; l’union de la platine à la structure peut se faire par : Collage, vissage, ou

bien ancrage. Du point de vue transmission des efforts, la meilleure technique est celle du

collage.

Le renforcement au moyen de profilés métalliques: L'association des profilés métalliques aux

structures en béton armé permet d'augmenter la capacité portante de la structure. La

réalisation ainsi d'une structure mixte acier-béton dont il faut assurer la compatibilité entre

ces deux matériaux est indispensable et nécessaire. Cette compatibilité entre les deux

matériaux est liée directement à la qualité de l'interface (acier-béton) pour bien transmettre

les efforts internes. L’intérêt de cette méthode est la rapidité de réalisation in-situ, les pièces

métalliques sont préfabriquées en atelier, et leur montage s'effectue à l'aide de cheville ou

tiges ancrées. L’assemblage sur site des éléments décomposés en tronçons facilite ainsi leur

transport et mise en place. L'inconvénient majeur de cette méthode de renforcement tient à

la précision qui est requise lors du mesurage de la structure existante, si les éléments fournis

se positionnent correctement au montage. Il recommandé d'envisagé des possibilités

d'ajustement et de positionnement des pièces métalliques pré-forées vis-à-vis de forages

dans le béton, lors du montage, contrairement aux constructions métalliques nouvelles.

Le scellement d'armatures pour béton armé: Les scellements d'armatures dans le béton armé

sont habituellement utilisés pour résoudre les problèmes d'oublis d'armatures en attente,

l'extension d'un ouvrage ou bien dans le but d'assurer la continuité d’éléments préfabriqués.

Les scellements sont réalisés à l'aide de mortier à base de liants hydrauliques ou de résines

dont les constituants du mélange sont pré-dosés. Dans ce dernier cas, le scellement peut

être réalisé à volume prédéterminé (scellement chimique obtenu par broyage d'une ampoule

prêt à l'emploi), ou à volume à la demande comme les scellements chimiques réalisés par

mélange d'une résine et durcisseur par l'intermédiaire d'une buse et d'un pistolet ou bien à

Figure 1 : Schéma d'un exemple de renforcement d'une poutre en béton armé avec des profilés métalliques (source : Consctructalia)


partir d'un kit. Il est important de signaler qu'il existe une certification concernant les

produits spéciaux pour construction en béton, dont les produits de scellement et de calage,

et a pour but de garantir l'aptitude à l'emploi du produit de scellement dont notamment ses

performances minimales, ayant reçu un avis favorable d'un contrôleur technique

2.2.1. Présentation des fibres

Il existe de nombreux types de fibres, sont présentés ci-dessous les fibres les plus courantes dans le

Génie Civil (ABDESSAMED, M. 2006) :

Fibres de verre : Le verre sous forme massive est caractérisé par une grande fragilité dû à sa

sensibilité à la fissuration mais sous forme de fibres de faibles diamètres (quelques dizaines

de microns) le verre perd ce caractère. Les fibres de verres sont élaborées à partir d’un verre

filable, dit verre textile et est composé entre 50 et 70% de Silice. Les fibres ont des épaisseurs

variantes de 3 à 24µm. Le verre est considéré comme un matériau isotrope.

Les différents types de verres sont classés suivant leurs compositions. Les fibres de verre E et

S sont les fibres utilisées dans le Génie Civil.

o Les fibres de verre E sont largement utilisées dans le Génie Civil pour ses propriétés

de non conductivité électrique.

o Les fibres de verre C sont des fibres utilisées pour leurs caractéristiques de résistance

à la corrosion.

o Les fibres de verre S sont des fibres à haute résistance, utilisées initialement dans

l’aérospatial.

Les fibres de verre présentent l’inconvénient d’être sensible à l’air salé et à l’humidité pour

ces raisons, elles doivent être bien protégées par la résine. Les fibres sont aussi susceptibles

de perdre de leurs résistances au cours du temps.

Fibres de carbone : Il est généralement utilisé de deux façons : soit en ajout pour renforcer

une structure existante, soit dès le début d’un projet en alternative à l’acier comme matériau

de précontrainte. Par exemple Les armatures de précontrainte peuvent se corroder selon le

processus habituel, comprenant une dissolution et une formation de rouille, ou par

fissuration, quand elles sont tendues. Des matériaux composites de carbone sont donc

utilisés pour prévenir ce genre d’endommagement. Ces matériaux résistent bien à la fatigue

et sont totalement résistant à la corrosion. Les différents types de fibres sont caractérisés par

leurs modules d’Young variant de 207 à 1035 GPa et une épaisseur comprise entre 5 et

10µm. Les principaux avantages de ces fibres sont le bon rapport poids/résistance, un faible

coefficient de dilatation thermique et une haute résistance au feu.

Fibres d’aramide : Les fibres d’aramides ont été les premières fibres utilisées dans les années

1980 dans les renforts en Europe ainsi qu’au Japon. Les fibres d’aramides sont jaunes ont la

propriété d’allier la légèreté, ténacité, la stabilité chimique et thermique. Le diamètre des

fibres varient entre 12 et 15µm. Les para-aramides peuvent se séparer en fibrilles de

diamètres inférieurs à 1µm.

Les fibres ont les caractéristiques suivantes :

o Elles supportent 200°C (au maximum 300°C)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Acier


o Elles ne se rétractent pas à haute température contrairement aux fibres synthétiques

thermoplastiques (comme le nylon ou le polyester).

o Elles sont résistantes au feu, auto-extinguibles, ne fondent pas mais carbonisent

Dû à leur coût de fabrication élevé, à leur sensibilité à l’humidité et leur sensibilité à des

températures élevées (de seulement 300°C) et leur faible propriété à se comprimées ces

fibres ne sont plus très utilisées dans le Génie Civil.

Les Fibres d’acier : Les fibres d’acier restent parmi les fibres les plus utilisées dans le renforcement des bétons ou mortiers. En effet, ces fibres présentent une bonne résistance à la traction et un module d’élasticités très élevé. Parmi les fibres d’acier les plus utilisées nous citons :

o Les Fibres Euro-Steel® : Ce sont des fibres ondulées en acier à haute résistance, tréfilé, dur, à teneur en carbone inférieur à 0,15%. La contrainte limite de rupture en traction est de 1400 MPa.

o Les Fibres Dramix ®: Ces fibres en acier tréfilé sont fabriquées par Bekaert. Elles se présentent sous forme de plaquettes collées, ce qui facilite leur introduction dans le béton et évitent la formation d’oursins. En effet, la colle ce dissout facilement dans l’eau de gâchage. Les fibres les plus courtes sont actuellement utilisées en béton projeté. Elles ont une résistance à la traction minimale de 1100 MPa. Leur diamètre varie de 0.4 à 0.8 mm et leur longueur de 25 à 60 mm.

o Les Fibres Harex ®: La fibre Harex® est obtenue par fraisage. Les copeaux, produits légèrement enroulés sur eux-mêmes, possèdent une résistance à la traction d’environ 700 MPa.

Fibres de bore : Les fils de bore de 100 à 200 de diamètre sont fabriqués par dépôt en

continu de bore, obtenu par réduction du trichlorure de bore à l’hydrogène, sur un filament

de tungstène chauffé par effet Joule. Un traitement au carbure de bore est effectué par les

filaments entrant dans les renforts de métaux. Ces fibres à très hautes performances se

caractérisent par une haute tenue thermique (supérieure à 500 0C) et d’excellentes

propriétés mécaniques avec une contrainte de rupture de 3,5 GPa et module d’élasticité

400GPa. Mais leur coût élevé limite leurs applications.

Fibres végétales : L’utilisation des fibres naturelles d’origine végétales dans la construction remonte aux années où l’on fabriquait des briques renforcées par la paille ou des roseaux. Depuis les années 1970, le premier composite liant avec les fibres végétales était le plâtre. De ce fait, plusieurs ouvrages sont réalisés avec le plâtre renforcé de fibres végétales. Actuellement le monde connaît de récents développements dans le domaine de renforcement du béton avec des fibres végétales. Suite aux problèmes de santé posés par les fibres d’amiante, plusieurs axes de recherches sont orientés vers la substitution de celles-ci par les fibres végétales. La transformation de ces fibres en vue d’un usage industriel se décompose en 4 étapes (Glossaire des matériaux composites renforcés de fibres d’origine renouvelable, 2006) :

Le rouissage : décomposition des pectines qui retiennent les fibres sur la tige Le teillage : Extraction de la fibre brute Le peignage : démêlage des fibres Le tissage


Les fibres végétales sont classées en quatre groupes suivant leur provenance, à savoir : les fibres de feuille, de tiges, de bois et de surface.

o Les Fibres de Feuilles

Ces fibres sont obtenues grâce au rejet des plantes monocotylédones. Les fibressont fabriquées par chevauchement de paquet qui entoure le long des feuilles pour les renforcer ces fibres sont dures et rigides. Les types de fibres de feuilles les plus cultivées sont la fibre de sisal, de Henequen et d’abaca.

o Les Fibres de Tiges

Les fibres de tige sont obtenues dans les tiges des plantes dicotylédones. Elles ont pour rôle de donner une bonne rigidité aux tiges de plantes. Les fibres de tige sont commercialisées sous forme de paquet de cor et en toute longueur. Elles sont par la suite séparées individuellement par un processus de défilage. Les fibres de tige les plus utilisées sont les fibres de jute, de lin, de ramie de sunn, de kennaf, et de chanvre.

o Les Fibres de Bois

Les fibres de bois proviennent du broyage des arbres tels que les bambous ou les roseaux. Elles sont généralement courtes.

o Les Fibres de Surface

Les fibres de surface entourent en général la surface de la tige, de fruits ou de grains. Les fibres de surface des grains constituent le groupe le plus important dans cette famille de fibres. Deux exemples peuvent être cités autre le coton et la noix de coco. Le tableau 1 montre les caractéristiques des différentes fibres utilisées dans le Génie Civil.

Tableau 1 - Récapitulatif des caractéristiques mécaniques spécifiques des matériaux élaborés sous

forme de fibres (Source : BERTHELOT, 1992) :

Fibres Module d’Young E (GPa)

Contrainte à la rupture (MPa)

Masse volumique (kg/m3)

Verre - E Verre - S

72.4 85.5

3500 4600

2540 2480

Carbone à - Haut module - Contrainte élevée

390 240

2100 3500

1900 1850

Kevlar (aramide) 130 2800 1500

Bore 285 2800 2630

Végétales : - Lin - Chanvre - Ramie - Coco

60 70 44 6

1100 800 550 220

3000 4700 2900 500

2.2.2. Présentation de la matrice

La matrice a pour but de maintenir la cohésion, l’orientation et la protection des fibres ainsi que de

transmettre les sollicitations. Elle est constituée d’une résine et de charges dont le but est


d’améliorer les caractéristiques de la résine tout en diminuant les coûts de production. La résine et

les charges se comportent comme un matériau homogène.

Les résines

Les résines utilisées ont pour but de transférer les sollicitations mécaniques aux fibres et de les

protéger de l’environnement extérieur. Les résines doivent donc assez déformables et présenter une

bonne compatibilité avec les fibres. En outre, elles doivent posséder une masse volumique faible

permettant de conserver un matériau de renfort léger.

Les résines utilisées sont des polymères modifiés par des adjuvants et additifs. Deux grandes familles

de résines existent (BERTHELOT, 1992) :

Les résines thermoplastiques, elles peuvent être mises en forme plusieurs fois par chauffages

et refroidissements successifs. Elles peuvent donc être facilement récupérées et recyclées.

Ces résines présentent un faible coût de production du fait de techniques de production qui

sont bien maitrisées et de matières premières disponibles.

Les résines thermodurcissables possèdent de meilleures propriétés mécaniques et

thermomécaniques que le premier type de résines. Néanmoins les résines thermodurcissable

ne peuvent être mise en forme qu’une seule fois et sont plus chères à la fabrication.

Les charges et les additifs

Les charges et les additifs ont pour but d’améliorer les caractéristiques mécaniques et physique du

produit fini ou de faciliter la mise en œuvre. Les charges renforcent les caractéristiques mécaniques

de la résine. Il existe plusieurs types de charges :

Les charges sphériques diminuent la susceptibilité de fissuration de la résine. Les sphères

ainsi incorporées dans la matrice peuvent être en verre, en carbone ou matières organique

(époxyde, phénolique…) et peuvent être pleines ou creuses de diamètre compris entre 10 et

150 .

Les charges non sphériques ont surtout pour objectif soit de diminuer les coûts de

production soit d’améliorer les propriétés des résines. Par exemple il existe des résines

ignifugeantes qui ont pour rôle de réduire ou d’empêcher les phénomènes de combustion

ou des charges conductrices ou antistatiques qui sont des isolants thermiques et électriques.

Les additifs ont pour objet de faciliter le façonnage de la résine. Il existe des lubrifiants pour faciliter

le démoulage des résines, pour colorer les résines, pour réduire le retrait de la résine lors de son

séchage.

2.2.3. Procédés de fabrication

Deux méthodes sont aujourd’hui utilisées pour fabriquer les renforts. La première est la pultrusion,

c’est un procédé industriel développé dans les années 1950. La seconde méthode est manuelle, elle

consiste à la mise en œuvre de plusieurs couches de renfort et de les imprégner de résine in situ.


2.2.3.1. Pultrusion

Contraction du verbe "to pull" (tirer) et d'extrusion, ce procédé est apparu après la Seconde Guerre

Mondiale. La pultrusion est un procédé de fabrication en continu d’éléments composites, selon

lequel une grande résistance uni ou bidirectionnelle est obtenue par traction de fils imprégnés de

résine, à travers une filière chauffante, où s’ensuit la polymérisation. Elle est utilisée pour produire

des éléments rigides surtout utilisées pour le renforcement de structure de bois, de métal ainsi qu’en

bois.

Cette méthode possède une grande flexibilité dans la gamme de produits fabriqués, par exemple,

elle permet la production de tubes, de bandes, de profilés, ou même de plaques d’épaisseurs

variables.

Figure 2 : Schéma présentant le procédé de pultrusion (Source : STRONGWELL, 2013)

Elle consiste en plusieurs étapes :

- Tension des fibres

- Imprégnation des fibres de résine de faible viscosité

- Passage des fibres par une filière chauffée (entre 100 et 200°C) pour former l’élément

souhaité

- L’extension de l’élément par l’extracteur

- La découpe Del ‘élément

2.2.3.2. La fabrication du renfort in-situ

Cette technique de mise en œuvre consiste en la pose de de couches de fibres sur l’élément à

renforcé et de les imprégner de résine liquide. Elle est relativement simple mais nécessite un

contrôle de qualité très précis et des compétences pointus dans lors de la pose. Le contact entre

l’élément renforcé et le renfort doit être parfait pour que celui-ci remplisse parfaitement sa fonction.

Cette technique est la plus ancienne concernant le renfort de structure avec des PRF (ACME, 2002).


2.3. Comportement mécanique

2.3.1. Le béton armé

Le béton est un matériau capable de supporter des efforts de compression importants alors que sa résistance aux efforts de traction est très faible. C’est donc pour pallier cette insuffisance que des barres d’acier sont placées dans les zones de béton soumises à la traction. Ces barres sont résistantes aussi bien en compression qu’en traction (BA-CORTEX, 2013).

Comportement du béton

Le béton présente des comportements suivant les efforts qui le sollicitent.

Comportement instantané en compression :

o jusqu'à 10% de la contrainte maximale atteinte pendant l'essai: c’est une phase de

serrage, liée aux pores du matériau ou aux microfissures préexistantes qui se referment.

Il y a raidissement du béton.

o jusqu'à environ 40% de la contrainte maximale: le comportement est quasi-linéaire.

o de 40% à 80% de la contrainte maximale: le comportement devient non-linéaire et des

irréversibilités. Ceci correspond au développement de la microfissuration aux interfaces

granulats-matrice.

o de 80% à 100% de la contrainte maximale: le comportement devient fortement non-

linéaire. Cette phase est celle où les fissures se propagent dans la matrice parallèlement

à la direction de sollicitation. Le matériau a alors un comportement orthotrope.

Comportement instantané en traction

Le béton soumis à de la traction se déforme quasiment élastiquement pour des faibles contraintes.

La contrainte maximum est atteinte sans modification notable de la pente de la courbe contrainte-

Figure 3 : Comportement type du béton en compression (Source : BA-CORTEX, 2013)


déformation. La rupture, dans le cas d’un essai réalisé à vitesse de chargement imposée, est brutale

et qualifiée de rupture fragile.

Comportement différé du béton

Le béton se déforme au cours du temps, ces déformations peuvent être plus importantes que les

déformations instantanées. Elles peuvent apparaitre à causes de plusieurs raisons :

o Modification du matériau et de son environnement (réaction minérale, modification de

l’hygrométrie du béton)

o Chargement sur le béton (fluage)

Comportement de l’acier

On considère l’acier travaillant uniquement en traction dans le béton armé. On fait l’hypothèse que

l’acier dans les zones de béton comprimé n’intervient pas dans la résistance du béton armé. On peut

distinguer plusieurs phases dans ce comportement (BA-CORTEX, 2013) :

Une première phase, élastique où les déformations sont réversibles et proportionnelles à la

sollicitation à laquelle est soumis l’élément en acier. Dans cette phase ce matériau suit la loi

de Hooke.

La seconde phase, l’écrouissage, est une phase plastique. Des déformations irréversibles

apparaissent. Si on procède à une décharge puis qu’on sollicite à nouveau l’élément, sa limite

élastique sera au maximum atteinte avant la décharge.

Une phase de striction. Une diminution de la section à un endroit donné et un allongement

de l’élément s’opèrent.

2.3.2. Comportement du matériau composite

Le comportement du matériau composite est considéré comme élastique linéaire. Ils suivent chacun

une loi de Hooke :

La matrice suit la loi :

1 2 3 4 1 - Zone élastique

2 - Plateau plastique

3 - Zone d’écrouissage

4 - Zone de striction

Figure 4 : Comportement type de l'acier en traction (Source : BA-CORTEX, 2013)


Les fibres suivent la loi :

Avec :

On peut calculer les paramètres suivants :

Le comportement décrit pour les matériaux composites dépend de l’arrangement de ses fibres. Les

résultats suivant donnent les modules d’Young et les coefficients de Poisson pour différentes

dispositions de fibres.

Matériaux composite unidirectionnel :

Module d’Young longitudinal :

Module d’Young transversal :

Coefficient de Poisson :

Figure 5 : Matériau composite unidirectionnel soumis à de la traction


Matériau composite tissé :

C’est un matériau possédant plusieurs couches, dans notre cas deux couches, disposées

perpendiculaire une par rapport à l’autre.

On considère les deux couches fabriquées dans le même matériau.

Modules d’Young :

sont les modules d’Young d’une couche unidirectionnelle.

Avec les coefficients suivants :

[

] [

]

Coefficient de Poisson :

est le coefficient de Poisson d’une couche unidirectionnelle.

Figure 6 : Matériau composite tissé


Matériau composite fibré aléatoirement :

La distribution aléatoire des fibres rend une approche théorique très complexe. Néanmoins,

certaines recherches effectuées sur le sujet donnent des valeurs simplifiées. Dans le cas de fibres

courtes ou continues, on utiliser les formules suivantes : (CUNHA, 2009)

Module d’Young :

Avec :

2.3.3. Interface béton armé/renfort

Le comportement de la couche adhésive est considérée comme élastique isotrope jusqu’à la

rupture.La rupture de la couche adhésive sera considérée dans le contexte de la rupture de la

structure renforcée. La couche adhésive formant l’interface entre le béton armé et le matériau

composite forment le joint adhésif. Il faut identifier les paramètres du joint adhésif suivants (LANG ;

TENG, 2001):

Module d’Young

Coefficient de Poisson

Les renforts doivent présenter une compatibilité avec le support béton à savoir :

un retrait limité pour des liants hydrauliques employés, ce phénomène qui apparaît dès la

prise et au durcissement final, et de manière à éviter l'apparition de fissures ou un

décollement de l'interface

une adhérence au béton support et une résistance au moins égale à la résistance du béton

renforcé.


des résistances mécaniques à la compression, à la traction, similaire ou supérieures à celles

du béton de support.

2.4. Utilisation dans le Génie Civil

En réponse à la nécessité croissante de réparation ou de remplacement des structures en béton

armé dans le monde, une nouvelle technologie de renforcement structural a émergé. Le

développement continu de techniques de production plus rentables comme les polymères de fibres

de carbones a progressé. La réduction des coûts de production, l’augmentation de l’efficacité des

produits et l’amélioration des techniques de mises en œuvre permet une démocratisation de son

utilisation.

Il existe deux techniques de renforcement de structures en béton avec des fibres. La première est le

renfort de structures avec des éléments constitués de fibres, par exemple des plaques ou des

poutres. La seconde méthode est le collage de bandes de renforts à la structure en béton. De nos

jours, la seconde est la plus utilisée dans le Génie Civil.

La mise en œuvre du collage de bandes de renfort nécessite une méthodologie rigoureuse, le respect

de conditions climatiques adaptées (travaux à l’abri de la pluie, pas d’ensoleillement direct,

température extérieure comprise entre 10 et 25° C, humidité relative limitée…), des conditions

d’emploi des différents matériaux (durée d’utilisation des résines ...), des critères de sécurité et de

grandes précautions lors de la préparation des supports.

2.4.1. Renforcement de poutres

Le renforcement de poutres peut se présenter de deux manières (CHEN; SMITH; LAM; WILEY, 2002) :

Reprise des efforts de flexion

Reprise des efforts tranchant

Reprise des efforts de flexion

Figure 7 : Mise en œuvre de bandes de renforts sur un pont (Source : SIKA, 2013) Figure 8 : Renforcement

d'une cheminée par des bandes de renfort

(Source : TESTECHNIFOR, 2013)


Deux techniques de renforcement sont utilisées pour reprendre les efforts de flexion : le collage de

plaques ou le collage de bandes.

Le collage de plaques sur les zones de béton tendues est la plus ancienne des méthodes, elle souffre

d’un gros désavantage : son manque d’adaptabilité. Elle présente donc une difficulté de mise en

oeuvre, en effet l’adhérence entre la plaque et l’élément renforcé doivent coïncider parfaitement, ce

système constructif soumet donc problème de mise en œuvre.

La technique de collage de bandes est apparue à la fin des années 1980. Elle est similaire à l’autre

méthode, à la seule différence que l’élément collé est ajustable à la structure renforcée.

La photographie ci-dessous montre des bandes de renforts collées en sous face d’une dalle et sur une

poutre.

Reprise des efforts tranchants

La reprise des efforts tranchants se fait à l’aide de renforts disposés transversalement à l’axe de la

poutre pour renforcer le treillis de Ritter Mörsch qui peut modéliser le fonctionnement d’une poutre

en béton armé soumise à de la flexion.

Encore une fois, les renforts peuvent se présenter sous forme de bandes ou de plaques mais la

méthode prédominante est celle du collage de bandes. Les PRF (plastique renforcé de fibres) sont

constitués de fibres placées dans une seule direction. Il faut donc veiller à placer les renforts dans la

bonne direction de façon à reprendre les efforts.

Il y a trois différentes dispositions des renforts reprenant les efforts tranchant d’une poutre

(FERREIRA, 2013) :

Le collage des renforts sur les quatre faces de la poutre (a)

Le collage sur trois faces de la poutre, en « U » (b)

Le collage sur les deux faces de l’âme de la poutre (c)

Figure 9 : Mise en œuvre de bandes de renfort en sous face d'une dalle et sur des poutres (Source :

TESTECHNIFOR, 2013)


Figure 10 : Différentes possibilités de placements des renforts sur une poutre

Le dimensionnement des renforts se fait d’après la norme : ACI 318/318R-105.

2.4.2. Renforcement de dalles

Le procédé de renforcement de dalle consiste à coller, à la surface des zones de béton tendues, des

plaques ou des bandes de renfort. De nos jours, seules sont appliquées des bandes de renforts. Pour

des raisons évidentes de mises en œuvre, on préfère coller les bandes de renfort en sous face de la

dalle. Dans le cas d’une mise en œuvre à la surface d’une dalle, il faut prendre en compte des

problèmes de remise à niveau du plancher traité.

Les techniques sont similaires à celles utilisées pour renforcer les poutres pour reprendre les efforts

de flexion. On rencontre donc le collage de plaques ou de bandes sur les dalles. Encore une fois, lors

de ces dernières années la méthode de mise en œuvre de bandes s’est imposée plutôt que

l’installation de plaques. Les images ci-dessous sont tirées du site : (www.efb-iledefrance.com).

2.4.3. Renforcement des poteaux

Les premières études de renforcement de porteurs verticaux ont débutées après le tremblement de

terre de Loma Prieta dans la baie de San Francisco en Californie en 1989. Les premières publications

sur ce sujet proviennent de (CHAI et al., 1991 ; PRIESTLEY et al., 1992).Ce type de renforcement est

obtenu par confinement des éléments en béton armé par des bandes de renfort.

Lorsque le renfort est appliqué autour d’un poteau, sa résistance apparente en compression et sa

ductilité sont améliorés. L’amélioration de la résistance en compression du béton apparait seulement

(a) (b) (c)

Figure 12 : Bandes de renforts en sous face d'une dalle (Source : TESTECHNIFOR, 2013)

Figure 11 : Bandes de renforts autour d'une trémie (Source : SIKA, 2013)


après l’apparition de fissures et le début de la dilation. L’enveloppement de poteaux avec des

renforts permet donc de reprendre des efforts de compression supplémentaires.

Ainsi, lorsqu’un chargement axial est appliqué au poteau, le béton se dilate latéralement,

notamment du fait de l’effet Poisson, créant des contraintes de traction dans le renfort qui s’oppose

à l’augmentation de section. L’enveloppe de renfort confine alors la section du poteau. Il en résulte

une augmentation de la capacité portante et de la ductilité de la structure (QUIERTANT et al., 2005;

BERTHET et al., 2005; HADI, 2007; ROCHETTE et LABOSSIERE, 2000).

Le fonctionnement du renforcement de ce type d’éléments est différent du renforcement des

éléments horizontaux comme les dalles et les poutres. En effet, pour les dalles et les poutres, les

renforts doivent augmenter les propriétés déjà fournies par les armatures. Les propriétés des aciers

et du béton ne sont pas modifiés. Dans le cas des renforts des poteaux, les renforts font changer les

caractéristiques apparentes du béton.

Mise en œuvre

Les bandes de renforts sont imprégnées de résine et sont enroulés autour des poteaux. Pour

augmenter la résistance à la compression des éléments, les bandes de FRP sont mises en œuvre dans

la direction des cadres.

Trois méthodes existent (CHEN; SMITH; LAM; WILEY, 2002) :

Le renfort d’un poteau complet(a)

Le renfort partiel par enroulage continu en spiral(b)

Le renfort partiel par enroulage en anneaux(c)

Figure 13 : Type de disposition des renforts sur un poteau (Source : CHEN;

SMITH; LAM; WILEY, 2002)


3. Méthode de dimensionnement des renforts

3.1. Les éléments horizontaux

Nous dimensionnons les renforts dans le domaine élastique pour des dalles rectangulaires, des

poutres chargées uniformément.

Dans ce paragraphe nous introduisons le rôle du renforcement extérieur en matériau composite.

Pour les dalles, la théorie des plaques mince nous permet de connaître les efforts internes dans

l’élément considéré : le moment fléchissant.

La méthode pour déterminer les renforts des poutres et des dalles en flexion est la même. Seule la

méthode pour calculer les moments des éléments diffère.

Présentation du type d’élément étudié

Vue en coupe d’une dalle et schémas des déformations et des contraintes dans la section :

Les conditions d’équilibres de la section sont les suivantes :

d’où

3.1.1. Poutre de section rectangulaire soumise à la flexion simple

3 poutres sont étudiées, sous chargement uniforme. Les 3 poutres ont des conditions d’appuis

différentes. La détermination des sollicitations dans les poutres se fait à l’aide d’une résolution

statique.

Dans le tableau 2, on peut voir les moments utilisées dans l’étude des 3 différentes poutres

analysées.

As

x

y

x h

bw

Figure 14 : Présentation de l'élément étudié


Tableau 2 – Présentation des sollicitations dans les 3 types de poutres étudiées

Poutre appuyée simplement

Poutre encastrée Poutre en console

Schéma de l’élément

Diagramme des moments

Valeur des moments maximums

3.1.2. Dalle rectangulaire soumise à la flexion simple

Les dalles en Génie Civil respectent dans la majorité des cas courant la condition suivante :

L/h ≥ 20

Les efforts dans les dalles peuvent être calculés selon la théorie de Kirchhoff-Love. On peut calculer

les moments maximums pour des dalles rectangulaires et chargées uniformément ayant des

conditions d’appuis différentes. Le tableau 3 montre les moments pris en comptent dans l’analyse

des dimensionnements des renforts.

A


Tableau 3 - Présentation des sollicitations dans les 3 types de dalles étudiées (Source : COURBON)

Pour une dalle simplement appuyées sur 4 côtés

Pour une dalle encastrée sur 4 cotés

Représentation de l’élément

Expression des

moments

Détail des coefficients

pour le calcul des moments

a/b α1 α2

0,5 0,0991 0,0079

0,55 0,0923 0,0103

0,6 0,0857 0,0131

0,65 0,0792 0,0162

0,7 0,073 0,0194

0,75 0,0669 0,023

0,8 0,0611 0,0269

0,85 0,0557 0,0307

0,9 0,0507 0,0344

0,95 0,0462 0,0383

1 0,0423 0,0423

a/b α1 α2 α3 α4

0,5 0,0405 0,0024 -0,0833 -0,0143

0,55 0,0394 0,0033 -0,0817 -0,0172

0,6 0,0378 0,0046 -0,0794 -0,0206

0,65 0,036 0,0061 -0,0767 -0,0242

0,7 0,0339 0,0079 -0,0737 -0,028

0,75 0,0315 0,0098 -0,0704 -0,032

0,8 0,0293 0,0103 -0,0668 -0,036

0,85 0,0269 0,0139 -0,0631 -0,04

0,9 0,0247 0,016 -0,0593 -0,044

0,95 0,0224 0,0181 -0,0554 -0,048

1 0,0202 0,0202 -0,0515 -0,0515

3.1.3. Méthodologie de calcul

En connaissant les efforts sollicitants la dalle étudiée, on peut ensuite calculer l’effort dans le béton

et les armatures pour enfin déterminer la section de renfort nécessaire :

Calcul de l’axe neutre :

√

Calcul de l’effort dans le béton :

On considère le même effort dans l’acier et le béton :


Calcul de la contrainte dans l’acier :

Calcul de la déformation de l’acier :

Calcul de la déformation totale :

Après l’application de la surcharge, on détermine la déformation totale des armatures en acier et la

quantité de renforts nécessaires.

Calcul de la déformation de l’acier en fonction de la déformation de béton : (flexion simple)

Calcul de la déformation totale

Calcul de la déformation du renfort

Calcul de la contrainte dans les renforts

En collant un renfort externe sur un élément en béton armé on considère que l’on diminue sa

ductilité initiale. On calcule le coefficient réducteur de la performance du béton dû aux renforts.

( )

D’après la seconde équation d’équilibrede la section, on obtient :

[ ]


Avec :

On peut ainsi calculer la section de renfort nécessaire.

Calcul de la section de renfort

Calcul de la longueur d’ancrage

√

√

Avec :

3.1.4. Exemple

Nous allons prendre l’exemple d’une dalle encastrée chargée uniformément. On dimensionne les

renforts nécessaires au centre de la dalle, dans la zone de moments positifs.

Caractéristiques

De la dalle

o Dimensions : 5x5 m

o Epaisseur : 15 cm

Béton :

Acier : CA 50

o

o

o

Enrobage : 2.5 cm

Chargement : 15000 N/m²

Moment maximum au centre de la dalle

Augmentation de la charge de 60%

Méthodologie de calcul :

Calcul de l’axe neutre :

√


Calcul de l’effort dans le béton :

On considère le même effort dans l’acier et le béton :

Calcul de la contrainte dans l’acier :

Calcul de la déformation de l’acier :

Calcul de la déformation totale :

Calcul de la déformation de l’acier en fonction de la déformation de béton : (flexion simple)

Calcul de la déformation totale

Calcul de la déformation du renfort


Calcul de la contrainte dans les renforts

Calcul de la section de renfort

On choisit de placer trois bandes de 5 cm de largeur par mètre de dalle dans chaque sens.

Calcul de la longueur d’ancrage

√

√

Le schéma suivant représente la sous face de la dalle et la disposition des renforts. Les bandes ont

une largeur de 5 cm et sont espacées de 28 cm. Il y a 9 bandes sur 3 mètres de zone à renforcer dans

chaque direction comme le prévoyait le dimensionnement.

5 m

5 m

1 m 1 m 3 m

Dalle de 5x5 m

Délimitation de la zone à renforcer

Bande de renfort

Figure 15 : Schéma représentant une dalle renforcée


3.2. Eléments verticaux

Dans un premier temps, nous allons nous intéresser aux poteaux circulaires chargés par une charge

centrée, ensuite nous verrons le cas des poteaux soumis à une charge excentrée.

3.2.1. Poteau soumis à une charge centrée

La méthode que nous allons suivre pour dimensionner le renfort nécessaire est divisée en trois

étapes (BANK, 2006) :

Détermination des capacités du poteau existant

Détermination de la quantité de renfort nécessaire

Détermination du nombre de couches de renfort nécessaires

Remarque : cette méthode a été développée aux Etats Unis, le système d’unités utilisé dans le

dimensionnement est américain.

3.2.1.1. Détermination des capacités du poteau existant

Calcul de la charge admissible par le poteau

( )

Avec :

3.2.1.2. Détermination de la quantité de renfort nécessaire

Calcul du nouveau chargement du poteau

Avec :

Calcul de la nouvelle charge devant être supportée par le poteau


3.2.1.3. Détermination du nombre de couches de renfort sont nécessaires

Après le choix du type de renfort, il faut calculer le nombre de couche de renfort sont à appliquer.

Calcul de la résistance à la compression du béton confiné

(

)

( )

Avec :

Calcul de la nouvelle pression de confinement

La pression de confinement se détermine en résolvant l’équation du second degré

(

)

Calcul du nombre de couches de renforts sont nécessaire

3.2.1.4. Vérifications à effectuer

Il y a deux vérifications à effectuer, la première, il faut s’assurer que le poteau renforcé peut

supporter la nouvelle charge. La seconde concerne la vérification des sollicitations dans le béton et

l’acier.

Vérification de la charge appliquée au poteau

On suit le même cheminement que dans la première étape.

Calcul du ratio de renfort par rapport à la section de l’élément en béton

Avec :

Calcul de la pression de confinement


Avec :

Calcul de la résistance à la compression du béton confiné :

√

Avec :

Calcul de la charge admissible par le poteau :

( )

On vérifie si est bien supérieur à , la nouvelle charge appliquée au poteau.

Vérification dans sollicitations dans le béton et l’acier

Calcul de la sollicitation dans le béton

√

Calcul de la sollicitation dans l’acier

3.2.2. Poteau soumis à une charge excentrée

Les poteaux sont principalement soumis à des efforts de compression qui sont, généralement,

excentrés. Ces charges engendrent donc l’apparition d’efforts normaux et de moments. La recherche

menée par (NANNI ; NORIS, 1995) montre l’interaction entre la charge de compression en fonction


du moment induit par l’excentricité de la charge. On peut en déduire un graphique montrant

l’interaction entre l’effort de compression et le moment sollicitant le poteau.

Figure 16 : Courbe représentant le lien entre la charge appliqué à un poteau de section rectangulaire et le moment induit par l'excentricité de celle-ci (Source : BANK, 2006)

L’étude de (LAN ; TENG, 2001) montre que l’efficacité du renfort est maximale lorsque le poteau est

soumis à de la compression simple et son efficacité est minimisé si le poteau est soumis à un

moment.

L’étude a été menée avec un poteau circulaire ayant les caractéristiques suivantes :

Diamètre : 1500 mm

Elle met en avant que l’application de 5 couches de renforts enveloppant le poteau augmente de

20% la capacité de reprise des efforts normaux seuls et seulement de 3.8% de la reprise des

moments. Avec l’application de 10 couches de renfort, le gain de résistance en compression pure est

de 41% et le gain de résistance au moment est de 5.5%.

Pour pouvoir déterminer les renforts nécessaires, il est important de connaitre l’interaction entre

l’effort normal et le moment. On fait plusieurs hypothèses : (TENG ; CHEN ; SMITH ; LAM, 2002)

Première hypothèse : Le confinement du poteau n’est pas affecté de la déformation du

poteau sous application du chargement. La section du poteau est donc considérée

totalement confinée lors de la déformation du poteau.

Seconde hypothèse : l’axe neutre d’une section confinée soumise à la flexion peut être

calculé avec la norme : ACI 440.2R-02. Et la déformation du béton peut être déterminée par

l’équation ci-dessous : (ACI 440.2R-02 :11-6)


Avec ces deux hypothèses on peut déterminer la compression maximale et la déformation maximale

du poteau circulaire confiné. La même méthode peut ensuite être utilisée que pour les poteaux

circulaires soumis à une compression centrée.

Dans le cas de poteaux rectangulaire chargés par une charge excentrée, il faut calculer le coefficient

de réduction de l’efficacité du renfort (ACI 440.2R-02 :11-8) :

Avec :

Remarque : Cette formule de réduction d’efficacité du renfort n’est applicable uniquement si

Le ratio de renfort est le suivant pour des poutres rectangulaires (ACI 440.2R-02 :11-7)

3.2.3. Exemple

Dimensionnement d’un renfort d’un poteau circulaire de 20 in. de diamètre soumis à un chargement

centré.

Béton : fck = 4000 psi (27.6 MPa)

Acier : fy= 60000 psi (41.4 MPa)

Charges

o Permanente : 320 kips (1423.4 kN)

o Exploitation : 360 kips (1601.4 kN) et une augmentation prévue de 60% (2562.2 kN)

Armatures :

o Longitudinales : 7 barres de n°11 : Al,st= 10.92 in² (70.5 cm²)

o Transversales : cadres n°3


3.2.3.1. Calcul de la charge admissible par le poteau

Calcul de la charge admissible par le poteau

( )

3.2.3.2. Détermination de la quantité de renfort nécessaire

Calcul du nouveau chargement du poteau

Calcul de la nouvelle charge devant être supportée par le poteau

3.2.3.3. Détermination du nombre de couches de renfort nécessaires

Après le choix du type de renfort, il faut calculer le nombre de couches de renfort à appliquer.

Choix du renfort

On choisit un renfort ayant les caractéristiques suivantes :

o Largeur d’une bande 1.97 in (5 cm)

o Epaisseur tf = 0.0065 in (0.0165 m)

o Module d’élasticité Ef =33000 ksi (228000 MPa)

o

o

Calcul de la résistance à la compression du béton confiné


(

)

( )

(

)

Calcul de la nouvelle pression de confinement

La pression de confinement se détermine en résolvant l’équation du second degré

(

)

(

)

Calcul du nombre de couches de renforts sont nécessaire

couches

couches

3.2.3.4. Vérifications

Vérification de la charge appliquée au poteau

Calcul du ratio de renfort par rapport à la section de l’élément en béton

Calcul de la pression de confinement


Calcul de la résistance à la compression du béton confiné :

√

√

Calcul de la charge admissible par le poteau :

( )

est bien supérieur à la nouvelle charge appliquée au poteau ( )

Vérification dans sollicitations dans le béton et l’acier

Calcul de la sollicitation dans le béton

√

√

Calcul de la contrainte dans le béton


Calcul de la sollicitation dans l’acier

Les contraintes dans le béton et l’acier respectent les critères de la vérification. La solution

d’appliquer 6 couches de renforts sur ce poteau est donc validée.


4. Modélisation et simulations numériques

4.1. Modélisation

4.1.1. Logiciel utilisé

ANSYS® est le premier éditeur mondial dans le domaine du calcul par éléments finis. Les défis de la

construction aujourd’hui demandent un gain de temps dans la conception et dans la réalisation des

constructions. Ansys est logiciel permettant d’optimiser le processus de conception. Il permet de

proposer des solutions plus innovantes en intégrant notamment des pré-analyses dans le cycle de

conception.

La méthode des éléments finis permet de calculer quantitativement le comportement d'un système

composé de plusieurs éléments avec des interactions complexes, à condition que leurs interactions

soient décrites par une équation aux dérivées partielles linéaires.

4.1.2. Eléments utilisées

4.1.2.1. Eléments en béton

La structure en béton armé a été modélisée avec l’élément SOLID45.Il possède 8 nœuds et 3 degrés

de liberté à chaque nœud (translation en x,y et z).

C’est un élément qui permet de modéliser des structures en 3D.

Figure 17 : Schéma expliquant l'élément SOLID45

4.1.2.2. Armatures

La modélisation des armatures s’est faite avec les éléments BEAM 4. Ce type d’élément possède 2

nœuds et 6 degrés de libertés à chacun de ses nœuds.


Figure 18 : Schéma de l'élément BEAM 4

4.1.2.3. Renforts

Shell63 est un élément bidimensionnel qui possède 4 nœuds et 6 degrés de liberté à chaque nœud.

Figure 19 : Schéma de l'élément SHELL63

4.1.3. Modélisation des éléments étudiés

4.1.3.1. Poutres

3 poutres de longueur de 5 mètres, de section 0,15x0,50 m, ont été simulées, elles ont chacune des

conditions d’appui différentes. Les 3 poutres modélisées et simulées :

Poutre bi appuyée

Poutre encastrée

Poutre en porte à faux


En vue de réaliser des essais expérimentaux, un second type de poutres en béton armé a été simulé,

des poutres de 50 cm de long, de 15 cm de largeur et 15 de hauteur. Ce type de poutre a été

modélisé de la même manière que le premier type de poutres.

Modélisation

La modélisation du béton s’est faite en découpant la poutre en 7 éléments pour permettre

l’assemblage des armatures au béton. Les 7 éléments constituants sont les 6 faces de la poutre et le

dernier la partie interne de la poutre.

Figure 21 : Photo de la poutre modélisée sur ANSYS

(1)

(2) (3)

(4)

(5)

z

y

Figure 20 : Schéma de la méthode de modélisation


Le ferraillage de la poutre est le suivant :

Figure 22 : Photo du ferraillage de la poutre

Maillage

Pour ne pas alourdir les calculs, il a été choisi d’établir un maillage de 5 cm de largeur sur tous les

éléments y compris sur le renfort. Cette unicité a aussi été choisie pour avoir une coïncidence du

maillage entre tous les éléments. Le maillage des éléments en béton et des armatures doivent être

liés pour permettre une déformation conjointe des matériaux.

Figure 23 : Photo du maillage de la poutre


4.1.3.2. Dalles

3 dalles de dimension de 5x5 mètres ont été simulées, elles ont chacune des conditions d’appui

différentes. Les 3 dalles modélisées et simulées :

Dalle simplement appuyée

Dalle encastrée

Dalle encastrée sur 3 bords et ayant un bord libre

Modélisation

La modélisation des dalles s’est faite en découpant la dalle en 3 dalles les unes sur les autres pour

permettre l’assemblage des armatures au béton.

L’assemblage des trois plaques constitue la dalle de béton. Les armatures ont étaient positionnées

sur deux couches :

Entre les plaques 1 et 2 en partie centrale de la dalle

Entre les plaques 2 et 3 sur les bords de la dalle

Figure 24 : Photo de la dalle modélisée sur ANSYS

y

z

(1)

(2)

(3)


Le ferraillage des dalles est le suivant :

Figure 25 : Photo du ferraillage de la dalle

Figure 26 : Détail des armatures positives et négatives sur les bords d'une dalle encastrée

Maillage

Pour ne pas alourdir les calculs, il a été choisi d’établir un maillage de 5 cm de largeur sur tous les

éléments y compris sur le renfort. Cette unicité a aussi été choisie pour avoir une coïncidence du

maillage entre tous les éléments. Le maillage des éléments en béton et des armatures sont

indispensables pour permettre une déformation conjointe des matériaux.


Figure 27 : Photo du maillage de la dalle

Figure 28 : Photo des bandes de renforts collées en sous-face de la dalle simplement appuyée

Dans les 3 simulations, un même chargement uniformément réparti sur les dalles a été appliqué.

4.2. Résultats

4.2.1.1. Poutres

Les poutres ont été simulées avec des renforts en fibres de carbone. L’épaisseur et la disposition de

ces renforts ont été calculées par un logiciel suivant la méthode énoncée précédemment dans ce

rapport. La seconde étape de la simulation a consisté à la substitution du renfort de carbone par des

renforts en fibres de ramie. Pour différents Modules d’Young du renfort en fibres végétales on a

déterminé l’épaisseur du renfort nécessaire pour atteindre la même flèche maximal et les mêmes

contraintes de traction du béton au centre de la poutre.

Figure 29 : Poutre simplement appuyées soumis à un chargement uniformément réparti


Figure 30 : Capture d'écran d’une poutre simplement appuyée déformée

Figure 31 : Capture d'écran de la répartition de la contrainte x dans la poutre simplement appuyée

Tableau 4 – Présentation des résultats des simulations des poutres

Epaisseur du renfort (mm)

Carbone Ramie - E 27GPa Ramie - E 30GPa Ramie - E 35GPa

Poutre simplement appuyée 1,2 6,5 6 5

Poutre encastrée 1,2 6 5,5 5,2

Poutre porte à faux 1,2 6,8 6 5

On constate que :

l’augmentation du module d’Young du renfort permet une diminution de son épaisseur

l’épaisseur du renfort constitué de fibres naturelles est importante, compris entre 5 et 7 mm,

c’est l’équivalent de 4 à 6 fois plus épais que le renfort en carbone pour la même disposition

des bandes de renfort

4.2.1.2. Dalles

Les dalles ont été simulées avec des renforts en fibres de carbone. L’épaisseur et la disposition de ces

renforts ont été calculées par un logiciel suivant la méthode énoncée précédemment dans ce

rapport. La seconde étape de la simulation a consisté à la substitution du renfort de carbone par des

renforts en fibres de ramie. Pour différents Modules d’Young du renfort en fibres végétales on a

déterminé l’épaisseur du renfort nécessaire pour atteindre la même flèche maximal et les mêmes

contraintes de traction du béton au centre de la dalle.

x

z


Figure 32 : Capture d'écran d'une dalle déformée selon l’axe Oy

Figure 33 : Capture d'écran de la répartition de la contrainte x en sous face d'une dalle simplement appuyée

Figure 34 : Capture d'écran de la répartition de la contrainte y en sous face d'une dalle simplement appuyée


Tableau 5 – Présentation des résultats des simulations des dalles

Epaisseur du renfort (mm)

Carbone Ramie - E 27GPa Ramie - E 30GPa Ramie - E 35GPa

Dalle simplement appuyée 1,2 6 5,2 4,4

Dalle encastrée 1,2 5 4,1 3

Dalle encastrée + bord libre 1,2 5,5 4,8 4

On constate :

l’augmentation du module d’Young du renfort permet une diminution de son épaisseur

l’épaisseur du renfort constitué de fibres naturelles est important, compris entre 3 et 6 mm

Pour les dalles come pour les poutres, l’épaisseur de renfort constitué en fibres de ramie doit être

importante. L’application pratique n’est pas remise en cause mais cette épaisseur importante

implique des travaux pour cacher le renforcement en fibres de ramie.


5. Etude expérimentale

La dernière étape de l’étude consiste en une analyse expérimentale du comportement de poutres en

béton armé renforcées. Elle va être menée en effectuant des essais de flexion sur des poutres non

renforcées et renforcées avec des fibres de carbone et végétales.

5.1. Fabrication des renforts et détermination de leurs caractéristiques

Dans le but de réaliser les essais expérimentaux, des renforts en fibres végétales de ramie ont été

fabriqués. Ces renforts ont ensuite fait l’objet d’essais de traction pour déterminer leurs modules

d’Young et de résistance à la traction.

5.1.1. Préparation des renforts

La première étape de préparation des renforts a été la découpe de plaques de fibres à la taille des moules. En calculant le ratio du volume de fibres par rapport au volume de résine souhaité nous avons déterminé le nombre de couches de fibres à mettre en œuvre et la quantité de résine à appliquer.

La mise en œuvre des fibres se fait par couche dans un moule. Chaque couche de fibre est imbibée

de résine et durant cette étape, il est essentiel de s’assurer de l’alignement des fibres. La différence

de teinte des fibres est due à l’application de la résine sur celles-ci.

Figure 35 : Photo du tissu de fibres de ramie Figure 36 : Photo de la résine avant l’application sur les fibres

Figure 37 : Photo de la disposition d'un tissu de fibres dans le moule


Le moule est ensuite refermé et est placé sous une presse. Une charge de 80 tonnes lui est appliquée

graduellement pour éviter que la résine soit expulsée du matériau composite.

La charge de 80 tonnes est maintenue durant un jour pour attendre la prise complète de la résine. La

plaque obtenue est découpé au laser pour obtenir des éprouvettes de test.

5.1.1.1. Essai de traction

Le module d’Young et la résistance à la traction du renfort en fibres végétales ont été déterminées

par des essais de traction.

Les deux campagnes d’essais ont permis de déterminer les caractéristiques des éprouvettes de

renfort en fibres de ramie.

Figure 38 : Photo du moule sous la presse

Figure 40 : Photo de l'éprouvette instrumentée et placée sur la presse Figure 39 : Photo d'une éprouvette qui a rompue en traction


Tableau 6 – Présentation des résultats des campagnes d’essais sur les éprouvettes de renforts

Campagne d’essais Module d’Young (GPa) Résistance à la traction (MPa)

1 (9 éprouvettes) 38.3 96.2

2 (4 éprouvettes) 38.7 89.9

L’annexe D présente les résultats de la seconde campagne d’essais. Elle montre un fort étalement

des résultats. Néanmoins, on considère les résultats suivants :

Module d’Young, E = 38 GPa

Résistance à la traction : 90 MPa

5.2. Fabrication des éprouvettes

9 éprouvettes de 50x15x15 cm ont été fabriquée.

Figure 41 : Photo des poutres décoffrées

Des éprouvettes cylindriques de béton ont été testées en compression à 7 jours ainsi que le jour des

essais. A 7 jours la résistance caractéristique du béton était de 43.3 MPa et le jour des essais sur les

poutres (à plus de 28 jours), le béton présentait une résistance à la compression de 62.4MPa. Les

résultats des campagnes d’essais à 7 jours sont en Annexe A, et les résultats des essais à plus de 28

jours sont disponibles en Annexe B.

5.3. Mise en œuvre des renforts

La première étape de préparation des éprouvettes est le ponçage de la surface des éprouvettes pour

réduire au maximum les irrégularités du béton.

Les irrégularités du béton peuvent se présenter de deux manières sur la structure en béton. Il peut y

avoir présence de dépression ou d’élévation. Ces irrégularités peuvent engendrer deux types de

problèmes sur les renforts :

Une pression locale sur le renfort lors de présence de dépression

Un effet de pointe lors de la présence d’élévation


La préparation des éprouvettes en les ponçant est donc indispensable pour limiter ces problèmes.

Figure 44 : Photo d'une éprouvette poncée

Ensuite on applique des bandes adhésives pour délimiter la zone d’application de la colle. Ces bandes

permettent de s’assurer que la colle n’est uniquement appliquée sous le renfort et qu’elle n’altère

pas le béton.

Pour

Dépression à la surface du béton Elévation à la surface du béton

Figure 42 : Présence d’une dépression sur la surface d’application du renfort (source : MACHADO, 2002)

Figure 43 : Présence d’une élévation à la surface du béton (source : MACHADO, 2002)

Figure 46 : Photo des bandes d'adhésifs sur une éprouvette en béton en béton

Figure 45 : Photo de la mise en œuvre de la colle sur une éprouvette en béton


s’assurer d’une mise en œuvre égale de la colle on utilise une spatule. L’application de la colle est

une étape importante, l’interface entre le renfort et le béton est souvent la zone présentant des

points faibles.

Figure 49 : Photo d'une poutre renforcée avec un composé de carbone, une seconde renforcée avec un composé de fibres de ramie et la dernière induite de colle

Figure 47 : Photo de l’application de la colle sur une éprouvette de béton

Figure 48 : Photo du collage du renfort sur une éprouvette en béton


5.4. Essais

Des essais de flexion simple ont été effectués sur les poutres en béton armé.

Les essais ont été effectués sur 9 poutres.

3 non pas été renforcées

3 ont été renforcées par des fibres de carbone : SIKA CARBODUR® S 512, ce sont des fibres

de carbone dans une matrice époxyde

o Volume de fibre : 68%

o Densité : 1,6g/cm3

o Résistance à la température : 150°C

o Largeur d’une bande : 50mm

o Epaisseur : 1,2mm

o Module d’élasticité : 155 GPa

o Résistance à la traction : 2400 MPa

o Résistance de rupture en traction : 3100 MPa

3 ont été renforcées par des fibres de ramie :

o Epaisseur : 5 mm

o Module d’Young : 38 MPa

o Résistance à la traction : 90 MPa

On peut noter que tous les essais des poutres renforcées par des bandes de fibres de carbone ont

résulté du décollement de la bande de renfort.

Figure 50 : Photo d'un essai de flexion d'une poutre


Figure 51 : Photo d'un renfort en carbone décollé après un essai de flexion

Figure 52 : Photo d'une poutre dont le renfort en fibres de carbone s'est décollée

Un des trois essais effectué sur une poutre renforcée par des fibres végétales s’est aussi conclu par le

décollement du renfort. Lors des deux autres essais, le renfort a rompu. Le décollage du renfort de

fibre végétal ne s’est pas produit vraisemblablement grâce à un ajout de colle sur les parties latérales

du renfort.

Figure 53 : Photo d'un renfort en fibres de ramie et de l'ajout de colle sur les parties latérales du renfort


Figure 54 : Photo d'un renfort composé de fibres de ramie ayant rompu lors d'un essai de flexion

Figure 55 : Photo d'un renfort en fibres de ramie décollé après un essai de flexion


0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Ch

arge

(kN

)

Flèche (mm)

Résultats des essais sur les poutres sans renfort

Sans renfort 1

Sans renfort 2

Sans renfort 3

5.5. Résultats

Lors des essais deux paramètres ont été enregistrés. Le chargement appliqué aux poutres et la flèche

de celles-ci. Les résultats ci-dessous ont été enregistrés.

5.5.1. Les poutres sans renforts

On note que :

les 3 poutres se comportent d’une manière identique

un pic est visible sur les 3 courbes pour une flèche d’environ 0,3 mm, c’est l’ouverture de la

première fissure dans les poutres

après ce pic une diminution de la charge reprise par la poutre, toute la charge est transférée

vers les armatures.

lorsque le point de transfert de la charge est atteint, ce sont les seules armatures qui vont

reprendre la charge appliquée à la poutre.

la rupture des poutres survient pour environ 3 mm de flèche et 27 kN de chargement pour

les 3 poutres testées.

Ouverture de la

première fissure visible

Reprise de la charge par les

armatures

Rupture


0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Ch

arge

(kN

)

Flèche (mm)

Résultats des essais sur les poutres avec des renforts en fibres de carbone

Carbone 1

Carbone 2

Carbone 3

5.5.2. Les poutres renforcées par des fibres de carbones

On remarque que :

les poutres présentent se comportent d’une manière identique, lors des essais les renforts se

sont tous décollés.

l’ouverture de la première fissure se produit, pour les 3 poutres, se produit pour une

déformation d’environ 0,3mm.

après l’ouverture de la première fissure, le renfort va travailler mais va subir des

décollements partiels. Lors de l’atteinte du point de décollement total du renfort, plus

aucune charge n’est reprise par le renfort.

à partir de ce pic il y a une forte diminution de la charge reprise par la poutre jusqu’à

atteindre un minimum local, le point où toute la charge est reprise par les armatures jusqu'à

la rupture finale

Rupture Reprise de la charge par les

armatures

Décollement total du renfort

Apparition de la première

fissure visible


0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Ch

arge

(kN

)

Flèche (mm)

Résultats des essais sur les poutres avec des renforts en fibres de ramie

Ramie 1

Ramie 2

Ramie 3

5.5.3. Les poutres renforcées par des fibres de ramie

On constate que :

les poutres Ramie 1 et Ramie 2 ont un comportement identique, lors du troisième le renfort

s’est décollé. Ce décollement s’est produit après l’ouverture de la première fissure.

Après l’ouverture des premières fissures des essais des poutres Ramie 1 et Ramie 2, une très

légère baisse de la charge s’en suit une forte reprise de la charge par les armatures et le

renfort.

La rupture s’est produite pour les poutres Ramie 1 et Ramie 2 pour une charge de plus de 60

kN et une flèche d’environ 2 mm.

Les renforts en fibres de ramie permettent une augmentation de la charge reprise par les

poutres et une augmentation de la charge entrainant la rupture

Rupture

Reprise de la charge par les

armatures

Décollement total du renfort

Apparition de la première

fissure visible Rupture simultanée du renfort

et de la poutre armée


0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Ch

arge

(kN

)

Flèche (mm)

Graphique de la charge apliquée aux poutres en fonction de la flèche

Sans renfort 1

Sans renfort 2

Sans renfort 3

Carbone 1

Carbone 2

Carbone 3

Ramie 1

Ramie 2

Ramie 3

5.5.4. Comparaison des différents résultats

En comparant tous les résultats des 9 essais, on remarque que : (le graphique est disponible en

Annexe C)

les renforts en fibres de carbone et naturelles permettent une légère augmentation de la

charge impliquant l’apparition de la première fissure. Néanmoins ce pic apparait, pour les

poutres renforcées avec des fibres de carbone, pour une charge d’environ 25% plus

importante que pour les poutres non renforcée. Il n’apparait que pour une charge 11% plus

importante pour les poutres renforcées avec des fibres végétales.

après le décollage des renforts de carbone ou de ramie, la poutre en béton armé se

comporte comme sans renfort. Le décollage du renfort n’entraine pas d’altération de la

poutre en elle-même.

tous les renforts permettent une augmentation de la charge reprise. Le problème majeur

constaté est le décollement des renforts au niveau de la colle, il survient d’une manière

brusque. Il dépend en grande partie de la mise en œuvre.


Conclusion

L’étude menée à l’Universidade Federal de Uberlândia porte sur le renforcement de structures en

béton armé à l’aide de bandes de renfort. Elle a comporte trois étapes majeures : la définition d’un

matériaux composite, une analyse numérique en comparant l’efficacité d’un renfort en bandes

composé de fibres carbone et d’un renfort en bandes composé de fibres de ramie, et une étude

expérimentale confrontant l’effet des deux types de renforts sur une poutres en flexion.

La première étape de l’étude a consisté au dimensionnement de renforts sur des éléments de béton

armé comme des poutres, des dalles et des poteaux. Un logiciel de calcul a été élaboré pour calculer

le nombre et la disposition des renforts.

L’étude numérique des poutres, des dalles renforcées a montré que l’épaisseur des renforts en

fibres naturelles doit être 4 à 6 fois plus épaisse pour obtenir les mêmes déformations et les mêmes

contraintes dans les différentes structures.

Ensuite l’étude expérimentale a montré que les renforts permettent une augmentation de la charge

faisant apparaitre la première fissure. Néanmoins au vue du peu de nombres de poutres testées et

du décollement de tous les renforts de carbone il est difficile de comparer le comportement du

renfort de fibres naturelles et de fibres de carbone. On peut constater que les renforts en fibres de

ramie qui ne se sont pas décollés ont permis l’augmentation de la charge induisant la rupture de la

poutre. Ce renfort a accompagné les déformations de la poutre et a rompu en même temps que les

armatures.

On peut conclure que malgré la nécessité d’une épaisseur de renfort plus importante, il apparait que

les renforts en fibres de ramie permettent des déformations importantes et permettent donc

d’accompagner la déformation des structures en béton armé. Le problème majeur constaté est le

décollement des renforts au niveau de l’interface entre le béton et le renfort, il survient d’une

manière brusque. Il dépend en grande partie de la mise en œuvre. Celle-ci doit donc être

particulièrement soignée et contrôlée. Il ressort aussi de ces essais la nécessité de prendre l’interface

en compte lors des simulations numériques et du dimensionnement des renforts.

Malgré un nombre d’essais limités on peut supposer que les renforts en fibres de ramie peuvent être

utilisés comme renfort de structures en béton armé. Ce type de renfort doit néanmoins être de 4 à 6

plus épais que les renforts en fibres de carbone.


Références

ABDESSAMED, M. Influence des ajouts de fines minérales sur les performances mécaniques des

bétons renforcés de fibres végétales de palmier dattier, thèse Université de Kasdi Merbah Ouargla,

novembre 2006

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 6118 : Projeto de estruturas de concreto –

Procedimento, Março 2003

BA-CORTEX, présentation du comportement de l’acier. Disponible sur : http://www.ba-

cortex.com/pages/cours/materiaux/a1.4-comportement-de-lacier.php. Consulté en mars 2013

BA-CORTEX, présentation du comportement du béton. Disponible sur : http://www.ba-

cortex.com/pages/cours/a1-materiaux/a1.3-comportement-du-beton.php. Consulté en mars 2013

BOGDANOVICH, A. E.; PASTORE, C. M. Mechanics of textile and laminated composites, with

applications to structural analysis. London :Chapman & Hall, 1996.

ACME, Composite Strengthening Systems, 2002

BANK, Composites for construction – Structural Design with FRP Materials– John Wiley & Sons, 2006

BELHANNACHI, H. Réhabilitation et renforcement des poteaux en béton armé, thèse Université

Mentouri, Constantine, juin 2009

BERTHELOT, Matériaux composites – Comportement mécanique et analyse des structures,

MASSON, 1992

CHAVES, Estudo da distibução do reforço de laje de concreto armado com fibras de carbono,

usando otimização topologica, 2010

CHEN; SMITH; LAM; WILEY, FRP - Strengthened RC Structures, 2002

CONSTRUCTALIA, présentation des renforts de structures avec profilés métalliques. Disponible sur :

http://www.constructalia.com/francais/rehabiliter_avec_lacier/iii_techniques_de_renforcement_de

s_poutres. Consulté en aout 2013

CUNHA, J. Notas de aula da disciplina Materiais Compostos, Universidade Federal de Uberlândia,

FECIV, 2009.

FERREIRA, Analise do reforço de vigas de concreto armado com fibras de carbono, 2013

Glossaire des matériaux composites renforcés de fibres d’origine renouvelable - C.A.R.M.A. –

décembre 2006

LANG and TENG, Performance and application of a design-oriented stress-strain model for FRP-

confined concrete, 2001 MACHADO, Reforço de estruturas de concreto armado com fibras de carbono, Caracteristicas,

dimensionamento e aplicação, Ari de Paula Machado, PINI, 2002


MATERIATECH, présentation des fibres utilisées dans les renforts en Génie Civil. Disponible sur :

http://www.materiatech-carma.net/html/pdf/RencontresMateriaux2006_CarmaAtoutveille.pdf.

Consulté en juin 2013.

SIKA, présentation des éléments en matériaux composites dans le Génie Civil, 2013. Disponible sur :

http://fra.sika.com/content/dam/dms/frcon/f/fr_renforcement_structures.pdf. Consulté en mars

2013

STRONGWELL, présentation du procédé de pultrusion, 2013. Disponible sur :

http://www.strongwell.com/about/the-pultrusion-process/ Consulté en juillet 2013

TESTECHNIFOR, présentation des renforts de dalles et de poteaux en béton armé avec des renforts

en matériaux composites, 2013. Disponible sur :

http://www.testechnifor.com/particuliers/renfort_des_murs_et_dalles.php. Consulté en mai 2013


ANNEXES


Annexe A


Annexe B


Annexe C


Charge maximale Déformation maximale Résistance à la traction Module d'Young

Essais (kN) (mm/mm) (MPa) (GPa)

1 5,4 0,003 92,0 16,8

2 5,9 0,003 100,1 24,3

3 4,5 0,003 77,2 21,2

4 5,4 0,003 90,6 92,5

Moyenne 5,3 0,003 89,9 38,7

Annexe D

Documents

Projet de Fin d’études - eprints2.insa-strasbourg.freprints2.insa-strasbourg.fr/1478/1/Rapport_PFE_-_Pierre-Alexandre... · Généralités sur le renforcement de structure en béton