REHABILITATION ET RENFORCEMENT DES POTEAUX EN BETON ARME

RESUME

Malgré que certains ouvrages en béton armé demeurent en bon état sous des conditions climatiques rigoureuses et sévères, 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).

Après diagnostic et investigations diverses, et afin d’y remédier à cette problématique il est impérativement indispensable de procéder à des méthodes soient de réparation soient de renforcement. Les techniques de renforcement des structures en béton armé au moyen de matériaux composites se sont révélés être nettement plus efficace et fiables, comparativement aux anciens procédés de renforcement.

L’étude d’éléments poteaux en béton armé a été au préalable largement développée de manière analytique ou graphique. Dans le cadre de cette présente étude il a été jugé intéressant d’intégrer l’apport d’un polymère renforcé en fibres de carbone (PRFC) dans le développement analytique des différentes équations d’équilibre ainsi que dans le développement graphique des diagrammes.

L’objectif de ce travail est de voir l’effet du rajout d’un tel renfort au moyen de PRFC, qui est considéré comme partie intégrante de la section, de poteaux en béton armé soumis à un chargement excentrique. Par le biais de diagrammes liant graphiquement le moment de flexion et l’effort normal : diagrammes d’interaction. Ceux-ci sont développés à partir des équations d’équilibre de la section et définissent un état imminent de ruine.

L’élaboration de ces diagrammes permet de déterminer ou de vérifier aisément, pour une section de béton et d’armatures données; la capacité portante de la section du poteau vis-à-vis d’une charge excentrique. Ainsi l’exploitation de ces diagrammes permet de faciliter, réduire le temps de vérification. A partir de ces diagrammes d’interaction, on constate que la contribution d’un tel renfort collé sur la partie tendue de la section doublement armée du poteau est considérable avec un gain significatif en terme de moment. Cette contribution est d’autant plus importante que le nombre de couches superposées du matériau de renfort augmente.

LISTE DES NOTATIONS

Ac (x): Surface de la zone comprimée de la section du béton, en fonction de l’axe neutre x
Af : Aire de la section du renfort
As : Aire de la section d’aciers tendus
A’s : Aire de la section d’aciers comprimés
b : largeur de la section
d : la hauteur utile de la section
d’ : l’enrobage des armatures tendues.
d1 : l’enrobage des armatures comprimées
Ec : Module de Young du béton
Ef : module de Young de composite
Es : module de Young de l’acier
e0 : excentricité due à un chargement excentré
ei : excentricité due aux imperfections géométriques
e1 : excentricité totale
Fc : la force dans le béton
Ff : la force de traction du renfort
Fc’ : la force de compression des aciers comprimés
Fs : la force de traction des aciers tendus
fck : la résistance caractéristique du béton obtenue à partir d’un cylindre
yk f : la contrainte limite d’écoulement de l’acier
h : la hauteur de la section
K1 : coefficient de remplissage
K2 : coefficient de positionnement.
PRFC : Polymère Renforcé en Fibres de Carbone
t : l’épaisseur de renfort
x : la profondeur de l’axe neutre
’b : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du bÄton
’s : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du aux armatures tendues
’’s : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du aux armatures comprimÄes
’f : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du renfort
÷b : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du bÄton
÷s : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du aux armatures tendues
÷’s : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du aux armatures comprimÄes
÷f : coefficient adimensionnel reprÄsentant l’effort du aux armatures comprimÄes
×c : coefficient de sÄcuritÄ du bÄton
×s : coefficient de sÄcuritÄ de lÉacier
ÿcu : DÄformation relative maximale dans le bÄton
ÿf : DÄformation relative du renfort
ÿs : DÄformation relative dans les aciers tendus
ÿÉs : DÄformation dans les aciers comprimÄs
ÿyk : DÄformation relative maximale dans les aciers
Ÿ : Elancement du poteau
Ÿlim : Elancement limite du poteau
Ä s : Le taux dÉarmatures
Ä f: Le taux de renfort
⁄f : RÄsistance garantie ¤ la rupture en traction du composite

1-1 Introduction:

Le béton ordinaire constitue certainement l’un des matériaux de construction les plus durables. Certains ouvrages demeurent en excellent état après plus d’un siècle d’exploitation sous des conditions climatiques particulièrement rigoureuses et sévères.

Il est quelquefois surprenant de constater que certains ouvrages récents présentent une détérioration importante, cela nécessitera une protection et une maintenance appropriée. Ces désordres rencontrés sont très souvent dus au vieillissement des matériaux, ce qui a une incidence directe sur la durabilité du béton.

Dans tous les cas, il est impérativement indispensable de procéder à des méthodes, soient de renforcement, soient de réparation, et cela suite à une inspection d’analyses et de méthodologie d’un bon diagnostic.

Ces travaux de réhabilitation ou de rénovation des structures, ont essentiellement pour but de remédier à des désordres survenus au cours du temps et causés soit par des agressions physico-chimiques, soit par un phénomène de fatigue sous des chargements cycliques ou suite à des sollicitations accidentelles.

L’avantage de la réhabilitation par rapport à la démolition puis la reconstruction est de limiter, voire supprimer les pertes d’exploitation, ainsi nous pouvons retenir quatre raisons principales peuvent êtres retenues pour une éventuelle réhabilitation et ce par ordre d’importance:

• La remise en conformité vis-à-vis des règlements en vigueur.
• Les dégradations et désordres que subissent les matériaux.
• Les changements de fonctionnalité.
• L’esthétique.

1-2 Problématique

Dés leurs premières applications, les techniques de réparation des structures en béton armé au moyen de matériaux composites ont démontré d’excellentes performances et se sont révélés êtres nettement plus efficaces, fiables et compétitives comparativement aux anciens procédés de renforcement traditionnels.

L’introduction dans le domaine du génie civil de ces matériaux composites de type polymère renforcés de fibres (PRF), présente de nombreux avantages fonctionnels tels que:

• une légèreté du tissu
• une mise en œuvre aisée
• une liberté de formes

Ces composites permettent aussi d’augmenter la durée de vie de certaines structures ou éléments structurels grâce à leurs propriétés mécaniques et chimiques. Ils contribuent au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs et au feu.

Le matériau composite de type polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) est un procédé breveté de renforcement structurel par placage et collage d’un tissu en fibre de carbone assurant la fonction d’armature additionnelle résistante, permettant le transfert des efforts et l’adhésion au support.

Le composite ainsi obtenu rivalise grâce ses caractéristiques mécaniques avec les meilleurs aciers, en plus de sa non sensibilité à la corrosion.

L’introduction de ces matériaux composites dans cette présente étude a pour but de renforcer un élément structurel qui généralement a pour motif: un changement de fonctionnalité ou d’usage de structures en béton armé L’introduction de ces matériaux composites dans cette présente étude a pour but de renforcer un élément structurel qui généralement a pour motif: un changement de fonctionnalité ou d’usage de structures en béton armé Le rajout d’un tel renfort pour de sections en béton doublement armé de poteaux, soumis à une charge excentrée est supposé: révéler une augmentation considérable de sa capacité portante vis-à-vis de sollicitations de combinaisons d’effort axial et de moment de flexion

Cette étude traite le cas d’une section en béton doublement armé d’un poteau, soumis à un chargement excentré uniaxial, puis renforcé au moyen de matériaux composites de type PRFC (polymère renforcé en fibres de carbone)..

L’objectif principal est d’examiner l’effet significatif de l’apport d’un tel renforcement de la section, en comparaison avec celle qui n’est pas renforcée.

Les résultats obtenus indiquent une nette amélioration de la capacité portante en terme
de moment de la section renforcée du poteau.

1-3 Objectifs:

Etude bibliographique:

• Déceler préalablement les anomalies au moyen d’un bon diagnostic
• Choisir une technique de renforcement
• Utiliser un PRF bien définie et spécifique

Étude théorique:

• Etudier et analyser ce type de renfort greffé sur la section de l’élément structurel
• Mettre en évidence l’effet des différents paramètres influents
• Etablir un catalogue de diagrammes d’interaction (M-N) incluant l’effet de ce renfort et les paramètres influents

Sommaires

TABLE DES MATIERES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES NOTATIONS

1 INTRODUCTION GENERALE

1-1 Introduction:
1-2 Problématique:
1-3 Objectifs
1-4 Structuration de la thèse :

1-SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

2 PATHOLOGIE DES OUVRAGES EN BETON ET METHODOLOGIE D’UN DIAGNOSTIC

2-1 Introduction
2-2 La fissuration des ouvrages:
2-2-1 Fissuration accidentelle
2-2-2 Fissuration fonctionnelle mécanique
2-2-3 Fissuration fonctionnelle thermique
2-3 La déformation anormale d’éléments en béton armé
2-4 La rupture des éléments en béton armé
2-5 Les investigations dans le béton
2-5-1 préambule :
2-5-2 Examen visuel ou morphologique :
2-5-3 Mesures in –situ
2-5-3-1 Introduction
2-5-3-2Mesures sur le béton:
2-5-3-3Les détecteurs d’armatures :
2-5-3-4Détecteur des fissures :
2-5-4 L’analyse technique des données
2-5-5 La formulation des recommandations

3 TECHNIQUES DE REPARATION ET DE RENFORCEMENT

3-1 Introduction :
3-2 Caractéristiques des produits de renforcement:
3-3 Adjonction d’armatures d’aciers
3-3-1 Introduction
3-3-2 Mise en place des armatures complémentaires
3-3-3 Protection des armatures:
3-3-4 Réfection des bétons:
3-4 Projection du béton :
3-4-1 Introduction:
3-4-2 Description des deux méthodes :
3-4-2-1 Projection par voie sèche :
3-4-2-2 Projection par voie mouillée :
3-4-3 Avantages des deux méthodes :
3-4-4 Inconvénients des deux méthodes:
3-5 Chemisage des sections de béton
3-5-1 Introduction
3-5-2 Adhérence entre les deux bétons:
3-5-3 Les inconvénients de chemisage
3-6 Renforcement par gainage métallique :
3-6-1 Introduction:
3-6-2 Les matériaux utilisés :
3-6-3 La mise en œuvre des plats collés:
3-7 Le renforcement au moyen de profilés métalliques:
3-8 Le scellement d’armatures pour béton armé:
3-9 Renforcement par une précontrainte additionnelle :
3-10 Adjonction de matériaux composites (Polymères Renforcés en Fibres) :
3-11 Conclusions et choix de la méthode de renforcement :

4 MATERIAUX COMPOSITES

4-1 Généralités :
4-1-1 Introduction:
4-1-2 définitions :
4-1-3 Les caractéristiques générales :
4-2 Les matrices :
4-2-1 Introduction :
4-2-2 Définitions :
4-2-3 Les résines
4-2-3-1 Différents types de résines:
4-2-3-2 Les résines thermodurcissables (TD) :
4-2-3-3 les résines thermoplastiques (TP):
4-2-3-4 Comparaison entre ces deux types de résines:
4-2-4 les charges et additifs
4-2-4-1 Introduction:
4-2-4-2 Les charges:
4-2-4-3 Les Additifs:
4-3 Les fibres:
4-3-1 Introduction et définitions:
4-3-2 Les fibres de carbone:
4-3-2-1 Elaboration des fibres de carbone:
4-3-2-2 Les caractéristiques mécaniques des fibres de carbone:
4-3-2-3 Les produits industriels:
4-3-2-4 Conclusion et commentaires:
4-3-3 Les fibres de verre:
4-3-3-1 L’élaboration des fibres de verre:
4-3-3-2 Les propriétés mécaniques:
4-3-3-3 Produits industriels:
4-3-3-4 Conclusion:
4-3-4 Les fibres d’aramides:
4-3-4-1 Elaboration des fibres d’aramides:
4-3-4-2 Les caractéristiques et utilisation industrielle des fibres d’aramides:
4-3-5 Les fibres de bore:
4-3-6 Les fibres de silice (ou de quartz)
4-3-7 Les fibres de polyéthylène de haut module :
4-3-8 Les Caractéristiques des fibres et renforts:
4-4 Classification des matériaux composites:
4-4-1 Classification suivant la forme des constituants :
4-4-2 classification suivant la nature des constituants :
4-5 Conclusions:

2-ETUDE THEORIQUE

5 ELABORATION DES DIAGRAMMES D’INTERACTION POUR L’ETUDE DES POTEAUX
EXENTRIQUEMENT CHARGÉS, RENFORCÉS AU MOYEN DE MATÉRIAUX COMPOSITES

5-1 Généralités et limites d’utilisation:
5-2 Introduction :
5-3 Caractéristique des matériaux:
5-3-1 le béton:
5-3-2 Les armatures d’ acier:
5-3-3 Matériaux composites :
5-4 L’effet des excentricités sur le comportement des poteaux soumis à une charge excentrée :
5-4-1 L’effet du premier ordre :
5-4-2 L’effet du second ordre :
5-5 Elaboration et conception des diagrammes d’interaction:
5-5-1 Introduction :
5-5-2 Conception des diagrammes d’interaction :
5-5-2-1 Section en béton seul:
5-5-2-2 Section en béton simplement armée:
5-5-2-3 Section en béton doublement armée:
5-5-2-4 Section en béton doublement armée et renforcé en PRFC:
5-6 Les différents paramètres influents sur une section en béton armée renforcée en PRFC:
5-6-1 Influence de la résistance caractéristique du béton « ck f »:
5-6-2 Influence de l’enrobage (d’):
5-6-3 Influence du taux d’armatures (Ä s):
5-6-4 Influence la contrainte limite des armatures « 
5-6-5 Influence du taux du renforcement  » Ä f « 6

3-CONCLUSIONS

6 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES :

6-1 Conclusions :
6-2 Perspectives:

Annexe A : CONFINEMENT DES POTEAUX
Annexe B : MISE EN ŒRUVRE DES COMPOSITES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES