Contribution à l’Etude des Matériaux Composites Dans le Renforcement et la Réparation Des Eléments Structuraux Linéaires en Béton

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Un ouvrage de génie civil est dimensionné pour une durée de vie de cent ans en moyenne.

Toutefois, plusieurs types de désordres viennent réduire cette durée de vie prévisionnelle et aujourd’hui, un ouvrage sur trois nécessite une maintenance pour assurer la sécurité des usagers.

La maintenance des ouvrages de génie civil consiste à les protéger en assurant une meilleure étanchéité ou en limitant la corrosion, à les réparer en cherchant à compenser les pertes de rigidité ou de résistance dues à la fissuration, à les renforcer en améliorant les performances et la durabilité des ouvrages (Calgaro et Lacroix 1997). C’est un problème de plus en plus préoccupant dans la mesure où le coût des ouvrages neufs est de plus en plus élevé et les conditions de réparation de plus en plus difficiles. Parmi les techniques disponibles, l’une des plus efficaces pour les désordres structurels est la réparation de structures en béton armé dégradées par placage extérieur en acier.

Toutefois, un inconvénient majeur lié à la difficulté de manipulation des plaques en acier compte tenu de leur poids, ainsi que les problèmes de corrosion limite l’utilisation de cette méthode.

Depuis une dizaine d’année, une alternative est proposée : il s’agit de renforcer ou de réparer les ouvrages en béton par des matériaux composites à matrice organique collés extérieurement sur des structures dégradées. Les matériaux composites, en particulier à base de fibres de carbone, de part leur rigidité spécifique, présentent un grand intérêt pour la réparation. De plus, malgré leur prix élevé, ils présentent un avantage économique car ils peuvent être mis en œuvre directement sur les structures par moulage au contact, procédé appelé aussi polymérisation in-situ ou stratification directe. Ceci permet de réduire considérablement les coûts liés à la manipulation des matériaux ainsi que les problèmes liés aux interruptions des activités des ouvrages réparés.

Dans le domaine du génie civil, les matériaux composites sont utilisés pour le renforcement et la réhabilitation d’éléments structuraux en béton armé, tels que les poutres, les dalles, les colonnes et les murs. Les premières recherches sur l’application de ce nouveau matériau destinées aux ouvrages de génie civil datent de 1980, bien que ce soit plutôt vers 1990 que le matériau est utilisé, d’abord sur une base expérimentale, puis progressivement sur une base commerciale.

Le confinement des colonnes en béton se réalise à l’aide d’enveloppes en matériaux composites à base de fibres de verre, de carbone ou d’aramide. Ces enveloppes appliquées aux colonnes améliorent le confinement du béton, ainsi que sa ductilité et sa résistance en compression. Les différents composites offrent des modules d’élasticité et des rigidités variés pouvant modifier le comportement axial et radial du béton confiné.

Ce travail concerne, en particulier, l’étude du comportement axial et radial résultant de l’effet du confinement procuré par une enveloppe en matériau composite à base de fibres de carbone «PRFC» ou de fibres de verre «PRFV». Les gains de résistance en compression du béton et en déformations axiales et radiales sont évalués et analysés en fonction de la quantité de confinement (nombre de plis de l’enveloppe), du rapport de renforcement qui est le rapport de la surface des fibres sur la surface du béton, de la résistance en compression du béton, ainsi que la forme de la section, l’élancement géométrique et le degré d’endommagement des colonnes en béton armé.

 Matériaux composites

Un matériau composite est constitué de deux matériaux différents et complémentaires permettant d’obtenir un matériau dont la performance dépasse celle des composants pris individuellement. Le matériau composite étudié est donc constitué de fibres qui représentent le renfort et de résine qui représente la matrice. Les comportements mécaniques et physiques peuvent être modulés en modifiant les éléments suivants : la nature des constituants, la proportion des constituants et l’orientation des fibres. Les fibres procurent les principales propriétés mécaniques du matériau composite, comme la rigidité, la résistance et la dureté. Les fibres de verre, de carbone et d’aramide sont les principaux matériaux de renfort utilisés dans le domaine de la réhabilitation et du renforcement des structures de ponts ou de bâtiments. La matrice constitue le matériau de liaison assurant la cohésion et le transfert des contraintes à l’ensemble du matériau composite, elle procure aussi une protection contre les agressions du milieu. La matrice de type époxy occupe présentement la plus grande part du marché pour ce qui est de l’application de renforts structuraux externes.

D’autres types de résines, tels que les résines à base de polyester et vinylester, sont également utilisés.

Problématique de la réhabilitation avec des matériaux composites

La majorité des dommages des structures en béton sont causés par des déficiences au niveau de détails de construction des éléments structuraux. Bien que les causes qui conduisent à un renfort structurel soient aussi nombreuses que le nombre de structures elles-mêmes. Citons par exemple :

l’accroissement des charges qui sollicitent la structure, la rénovation des structures anciennes, le changement de la forme de la structure, les dégâts dans la structure, la nécessité d’améliorer les conditions en service. Les travaux de réhabilitation ou de réparation des colonnes ont conduit à la recherche de nouvelles méthodes de renforcement à partir de méthodes connues, telles que l’installation des chemises en acier (steel jacket) autour des colonnes en béton. L’intérêt pour des matériaux composites collés offre des avantages évidents. Entre autres, ils permettent une facilité d’installation et une durabilité accrue comparativement à l’enveloppe d’acier conventionnelle.

Dès 1980, plusieurs chercheurs et manufacturiers développent des techniques d’utilisation adaptées au nouveau matériau. Mais, c’est depuis 1990 que l’utilisation des composites connaît sa véritable croissance comme méthode de réhabilitation. Les composites couramment utilisés sont à base de fibres de carbone ou de fibres de verre. Ces fibres ont une résistance en traction, dans le sens longitudinal, supérieure à celle de l’acier de structure. Par contre, ils ont des modules d’élasticité généralement inférieurs à ceux de l’acier. Les propriétés mécaniques et chimiques varient selon le type et le volume de fibres et de résine, ainsi que de la qualité de la production. Ces facteurs influencent différemment le comportement des structures en béton renforcées par matériaux composites. La conception de renforcement en composites exige une connaissance approfondie du comportement global de la structure renforcée à l’aide de ces matériaux qui ont un comportement à la rupture fondamentalement différent de celui des renforcements conventionnels. Les matériaux composites exigent donc des précautions spécifiques supplémentaires lors de leur utilisation. Par exemple, les fibres présentent généralement un type de rupture fragile et brusque, comparativement à l’acier qui offre une ductilité beaucoup plus grande.

Les composites sont principalement utilisés comme renforcement à la traction, dans le sens longitudinal de la fibre. Les propriétés mécaniques des composites varient énormément suivant leur sens d’utilisation car se sont des matériaux fortement anisotropes. L’orientation des fibres a toute son importance car elle peut modifier le comportement structural du composite. Par exemple, des fibres orientées dans le sens transversal ne contribuent pratiquement pas à la résistance en flexion dans le sens longitudinal, mais offre un confinement intéressant dans le sens transversal. Par ailleurs, l’utilisation des composites à base de fibres bidirectionnelles (fibres orientées dans les deux directions) peut être une solution avantageuse pour améliorer le comportement aussi bien axial que transversal.

Finalement, les enveloppes de matériaux composites répondent généralement aux besoins que nécessitent les réhabilitations actuelles de colonnes en béton armé. Cette méthode permet d’augmenter la résistance en compression axiale et les déformations ultimes avant rupture. De plus, selon la littérature, le comportement sismique de la colonne confinée par matériaux composites est grandement amélioré et permet ainsi de satisfaire aux normes de dimensionnement.

Renforcement des colonnes en béton à l’aide de matériaux composites

Le changement des codes de béton, la détérioration des colonnes et les exigences de réhabilitation sismiques requièrent un renforcement des colonnes qui peut être procuré par un confinement additionnel, afin d’assurer une résistance et une capacité de déformation adéquate. Les enveloppes de matériaux composites appliquées aux colonnes augmentent le confinement du béton. Jusqu’à ce jour, les expériences conduites par plusieurs chercheurs ont démontré une augmentation significative en ductilité et en résistance reliée à l’utilisation d’enveloppe de composites.

Les bénéfices de cette technique de renforcement sont multiples :

L’augmentation de la ductilité :

• en raison du confinement, le béton se rompt à un plus haut niveau de déformation qu’un béton non confiné;
• selon le degré de confinement, la déformation à la rupture du béton peut être augmentée plusieurs fois.

L’augmentation de la résistance :

• la pression latérale exercée par l’enveloppe de composites augmente la résistance en compression
  du noyau du béton et de la section de béton constituant l’enrobage;
• la capacité axiale et latérale de la colonne est, par conséquent, plus élevée.

1. L’application aux colonnes circulaires et carrées : la flexibilité des composites permet d’envelopper les colonnes de différentes géométries.
2. La légèreté : la faible densité des composites simplifie la mise en œuvre.
3. L’esthétique : l’enveloppe de composites ne modifie pas l’apparence des colonnes ou des structures.
4. La durabilité : Certaines, comme les fibres de carbone, résistent très bien aux variations de température, aux cycles de gel-dégel et à l’humidité.

Objectifs recherchés

L’objectif général de cette étude est d’évaluer le comportement des colonnes en béton confinées à
l’aide d’enveloppes en matériaux composites collées en surface. Les objectifs spécifiques de l’étude
sont :

• Évaluer l’influence du nombre de couches de renfort sur le comportement des colonnes confinées et l’efficacité du confinement;
• Évaluer l’influence de la résistance en compression du béton non confiné (f’co) sur la performance des colonnes confinées avec des matériaux composites «PRF»;
• Évaluer l’influence de la forme de la section (circulaire et carrée) sur la performance du confinement ;
• Évaluer l’influence du rayon de courbure des coins pour les sections carrés confinées avec des matériaux composites «PRF»;
• Évaluer l’influence du rapport volumétrique du «PRF» sur la performance du confinement ;
• Évaluer l’influence de l’élancement géométrique (rapport longueur sur diamètre: L/D) sur le comportement et la performance des spécimens confinés avec des matériaux composites «PRF»;
• Évaluer l’influence du degré d’endommagement sur le comportement et la performance des spécimens confinés avec des matériaux composites «PRF»;
• Proposer un nouveau modèle de confinement.

Présentation des différentes parties de l’ouvrage

Le travail est présenté sous forme de chapitre liés bien entendu les uns aux autres, mais présentant en même temps chacun un aspect bien déterminé de la thématique générale qui concerne le renforcement ou la réparation des éléments structuraux en béton ou en béton armé par les matériaux composites. Le livre se divise en trois grandes parties (partie I : synthèse bibliographique, partie II :

étude expérimentale et partie III : modèle empirique) et s’articule en dix chapitres :

il commence par une introduction générale dont on définit au préalable la problématique du sujet et les objectifs recherchés.

le chapitre I.1 présente les différentes techniques employées dans les travaux de renforcement ou de réparation des structures en béton armé. Il montre aussi quelques causes qui conduisent à un renfort structurel toute en présentant de différentes procédures de renforcement et de réparation des structures y compris celle de l’utilisation des polymères renforcés de fibres «PRF».

le chapitre I.2 présente une introduction aux matériaux composites, les constituants, les propriétés mécaniques et les différents procédés de mise en œuvre des renforts composites. Il met en évidence l’intérêt des polymères renforcés de fibres «PRF» dans le domaine du bâtiment et des travaux publics.

le chapitre I.3 donne un aperçu des avantages de l’utilisation des matériaux composites dans les structures du génie civil et permet de situer parmi les nombreuses possibilités d’utilisation de ces matériaux, la technique de confinement externe des colonnes en béton ou en béton armé étudiées dans cette thèse. Ce chapitre présente aussi une illustration du comportement mécanique et de la pression de confinement exercée par une enveloppe composite sur le béton confiné avec ces matériaux. Le but est de montrer les tendances des relations contrainte-déformation et de comprendre d’avantage la mécanique de rupture du béton confiné avec des matériaux composites sous une compression axiale.

le chapitre I.4 est une revue de la littérature sur les travaux expérimentaux antérieurs portant sur les colonnes confinées avec des matériaux composites. Il montre les résultats de quelques chercheurs dans le domaine de la réhabilitation ou le renforcement des colonnes en béton ou en béton armé à l’aide des polymères renforcés de fibres collés en surface toute en présentant les paramètres étudiés, les dimensions des spécimens testés et les conclusions de ces travaux de recherches.

le chapitre I.5 présente une étude bibliographique détaillée sur le développement des différents modèles de résistance ou de type contrainte-déformation établis pour le béton confiné avec des matériaux composites. L’étude prend en compte et recense les différents paramètres utilisés dans l’établissement de chaque modèle. Ce chapitre permet de cerner d’avantage l’option de proposer un nouveau modèle de confinement.

le chapitre II.1 est consacré exclusivement à la caractérisation physique élastique et mécanique des matériaux (béton, acier, fibres de carbone, résine époxy et composite «PRF») qui constituent les corps d’épreuve. Cette caractérisation classique du comportement mécanique (traction axiale, compression simple et fendage) a conduit à étudier les propriétés physiques élastiques et mécaniques ainsi que la rupture de chaque matériau. Les résultats obtenus, sur chaque constituant, fourniront pour la suite de l’étude des informations indispensable à la compréhension du comportement mécanique et des mécanismes de rupture des éléments étudiés.

le chapitre II.2 a pour but de présenter le programme expérimental réalisé dans le cadre de ce travail, avec d’une part la description détaillée des dimensions, du nombre de couches «PRF» et de la classe du béton des différentes éprouvettes testées, et d’autre part la présentation des moyens d’essai, des étapes de confection des spécimens confinés avec des «PRF» et des dispositifs de mesure. Le programme expérimental a été réalisé en deux parties : un programme préliminaire contenant des échantillons de faible hauteur en béton confiné avec un polymère renforcé de fibres de verre «PRFV» réalisé à l’université Mentouri-Constantine (Algérie) et un programme principal
réalisé à l’INSA1

de Rennes (France) où nous avons travaillés sur des échantillons et des colonnes en béton confiné avec un polymère renforcé de fibres de carbone «PRFC».

le chapitre II.3 rapporte les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ce travail. Il est organisé en deux parties. La première concerne les résultats du programme préliminaire (série a et b) et la deuxième présente les résultats des spécimens testés dans le programme principal (séries 1, 2, 3 et la série 4 consacrée à l’étude de l’effet d’endommagement). Les modes de rupture observés pour chaque série d’essai sont aussi reportés. Les résultats des essais de laboratoire sont présentés numériquement dans des tableaux qui montrent les gains de résistances et de déformations et graphiquement sous forme de courbes contrainte-déformation. Sur ces courbes, les déformations « axiale » et « radiale » sont tracées en fonction de la contrainte axiale appliquée.

le chapitre II.4 est consacré à l’analyse, la discussion et l’interprétation des résultats expérimentaux. Ces résultats sont analysés en termes de niveau de confinement, de résistance en compression, de déformation axiale et radiale, de type de la section (circulaire ou carrée), de l’élancement géométrique (L/D) et de degré d’endommagement initial du béton.

La partie III propose un premier modèle de confinement type contrainte-déformation (chapitre III.1) résultant d’une modification d’un modèle existant avec l’introduire du degré d’endommagement initial des colonnes en béton armé réparé par les composites «PRF» et un deuxième modèle de type résistance (chapitre III.2) pour les besoins de dimensionnement pratique des colonnes en béton armé confiné avec des matériaux composites « PRF ».
Ce travail est finalisé par une conclusion générale et des perspectives.

Au sommaire

INTRODUCTION GÉNÉRALE 1

PARTIE I : SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE 6

Chapitre I.1. GÉNÉRALITÉS 7

I.1.1. Introduction 7
I.1.1.1. La nécessité d’un renfort structurel 7
I.1.1.2. Méthodes de renfort 8
I.1.2. Techniques de renfort des structures en béton armé 9
I.1.2.1. Amélioration des éléments structuraux à l’aide de chemisage en béton armé 9
I.1.2.2. Amélioration des éléments structuraux à l’aide de chemises en acier 9
I.1.2.3. Amélioration des éléments structuraux à l’aide des tôles collées 15
I.1.2.4. Amélioration de la résistance des éléments structuraux porteurs à l’aide de matériaux composites renforcés de fibres 17
I.1.2.5. Renforcement des structures par précontraintes additionnelles 21

Références 24

Chapitre I.2. INTRODUCTION AUX MATÉRIAUX COMPOSITES 27

I.2.1. Matériaux composites 27
I.2.2. Polymères renforcés de fibres « PRF » 27
I.2.2.1. Intérêt des polymères renforcés de fibres dans le bâtiment et les travaux publics 27
I.2.2.2. Les constituants d’un polymère renforcé de fibres 27
I.2.2.4. Propriétés mécaniques des composites «PRF» 30
I.2.2.5. Comparaison des performances pour le renforcement des structures 32
I.2.3. Procédés de mise en œuvre des renforts composites 32
I.2.3.1 Notion de multicouches composites pour la réparation des ouvrages 32
I.2.3.2. Différentes techniques de mise en œuvre 33

Références 37

Chapitre I.3. CONFINEMENT DE COLONNES EN BÉTON ARMÉ AVEC DES MATÉRIAUX COMPOSITES « PRF » 39

I.3.1. Méthodes de confinement 39
I.3.1.1. Stratification au contact 39
I.3.1.2. Enroulement filamentaire 40
I.3.1.3. Chemisage par coquille préfabriquée en «PRF» 40
I.3.1.4. Comparaison des méthodes de renforcement 41
I.3.1.5. Aspects constructifs 42
I.3.1.6. Modification de forme 42
I.3.2. Modes de rupture et comportement type des colonnes en béton confiné avec des composites «PRF» 44
I.3.2.1. Colonnes de section circulaire 44
I.3.2.2. Colonnes de section carrée ou rectangulaire 47
I.3.2.3. Colonnes de section Elliptique 49
I.3.3. Mécanique de rupture du béton confiné sous compression axiale 50

Références 53

Chapitre I.4. TRAVAUX EXPÉRIMENTAUX ANTÉRIEURS PORTANT SUR LES COLONNES EN BÉTON CONFINÉ AVEC DES MATÉRIAUX COMPOSITES « PRF» 55

I.4.1. Revue de littérature 55

Références 73

Chapitre I.5: MODÈLES DE BÉTON CONFINÉ AVEC DES MATÉRIAUX COMPOSITES PRF 78

I.5.1. Introduction 78
I.5.2. Résistance à la compression du béton confiné avec des «PRF» 79
I.5.2.1. Généralités 79
I.5.2.2. Revue des modèles de Résistance 79
I.5.3. Contrainte-déformation du béton confiné avec des composites «PRF» 91
I.5.3.1. Généralités 91
I.5.3.2. Revue des modèles Contrainte-Déformation 91
I.5.4. Résistance en compression axiale des colonnes de section carrée ou rectangulaire confinées avec des matériaux composites « PRF » 101
I.5.4.1. Généralités 101
I.5.4.2. Modèles existants 101

Références 106

PARTIE II : ÉTUDE EXPÉRIMENTALE 111

Chapitre II.1. CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX UTILISÉS 112

II.1.1. Introduction 112
II.1.2. Béton 112
II.1.2.1. Programme expérimental préliminaire 112
II.1.2.2. Programme expérimental principal 112
II.1.2.3. Essai de compression simple 113
II.1.2.4. Essai de traction par fendage 114
II.1.3. Acier des armatures de renforcement 115
II.1.4. Caractéristiques des matériaux composites 115
II.1.4.1. Le tissu en fibres de carbone 115
II.1.4.2. La résine époxy 117
II.1.4.3. Détermination des propriétés mécanique en traction du composite «PRFC» 119
II.1.4.4. Propriétés mécanique en traction du composite «PRFV» 122

Références 123

Chapitre II.2. PROGRAMME EXPÉRIMENTAL 124

II.2.1. Programme préliminaire 124
II.2.1.1. Description des éprouvettes cylindriques et prismatiques carrés 124
II.2.2. Programme principal 126
II.2.2.1. Essais sur éprouvettes cylindriques et prismatiques carrés 126
II.2.2.2. Essais sur colonnes en béton armé 126
II.2.2.3. Essais sur cylindres et colonnes en B.A confiné après endommagement 130
II.2.3. Description des essais 132
II.2.3.1. Configuration de l’enveloppe de confinement 132
II.2.3.2. Type de section
II.2.3.3. Fabrication et préparation des spécimens 134
II.2.3.4. Surfaçage des spécimens 134
II.2.3.5. Confinement externe avec des matériaux composites «PRF» 135
II.2.3.6. Chargement et acquisition 138

Références 140

Chapitre II.3. PRÉSENTATION DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET OBSERVATIONS 141

II.3.1. Résultats expérimentaux du programme préliminaire 141
II.3.1.1. Résultats expérimentaux des éprouvettes cylindriques (Ø160 x 320 mm) 141
II.3.1.2. Résultats expérimentaux des spécimens de section carrée (100x100x300 mm) 142
II.3.1.3. Modes de rupture des spécimens confinés avec «PRFV» 143
II.3.2. Résultats expérimentaux du programme principal 145
II.3.2.1. Résultats expérimentaux des éprouvettes cylindriques (Ø160×320 mm) 145
II.3.2.2. Résultats expérimentaux des spécimens de section carrée (140x140x280 mm) 149
II.3.2.3. Résultats expérimentaux des spécimens de section carrée (140x140x560 mm) 152
II.3.2.4. Résultats expérimentaux des colonnes de section carrée (140x140x1000 mm) 155
II.3.2.5. Résultats expérimentaux des colonnes de section circulaire (Ø155×1000 mm) 157
II.3.2.6. Résultats expérimentaux des colonnes de section circulaire (Ø 197×1000 mm) 159
II.3.2.7. Résultats expérimentaux des spécimens en B.A confiné après endommagement 161
II.3.2.8. Modes de rupture des spécimens confinés avec des matériaux composites de type «PRFC» 164

Chapitre II.4. ANALYSE ET INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX 172

II.4.1. Déformation des spécimens en fonction de la contrainte axiale de compression 172
II.4.2. Déformation circonférentielle effective du composite 173
II.4.3. Courbes contrainte-déformation 175
II.4.3.1. Courbes contrainte-déformation « type ascendant » 175
II.4.3.2. Courbes contrainte-déformation « type descendant  » 177
II.4.4. Effet du nombre de couches «PRF» sur l’efficacité du confinement 179
II.4.5. Effet de la résistance du béton non confiné (f’co) sur l’efficacité du confinement 187
II.4.5.1. Courbes contrainte-déformation 187
II.4.5.2. Résistance et ductilité 189
II.4.6. Effet de la géométrie de la section confinée 193
II.4.6.1. Type de section transversale (circulaire ou carrée) 193
II.4.6.2. Variation du rayon des coins des sections carrées 199
II.4.7. Effet du diamètre sur l’efficacité du confinement 201
II.4.7.1. Colonnes non confinées 201
II.4.7.2. Colonnes confinées avec des matériaux composites «PRFC» 202
II.4.8. Effet de l’élancement géométrique des spécimens sur l’efficacité du confinement 210
II.4.8.1. Gains de résistance et de déformation axiale des spécimens confinés 210
II.4.8.2. Résistance à la compression axiale des spécimens en béton confiné avec PRFC
II.4.8.3. Courbes contrainte-déformation 213
II.4.9. Effet de l’endommagement initial du béton armé sur l’efficacité du confinement 222
II.4.9.1. Courbes contrainte-déformation 222
II.4.9.2. Résistance à la compression et déformations 223
II.4.9.3. Énergie de déformation 224

PARTIE III : PROPOSITION DE MODÈLES ANALYTIQUES DE CONFINEMENT 228

Chapitre III.1 : MODÈLE CONTRAINTE-DEFORMATION 229

III.1.1. Estimation de l’endommagement des matériaux 230
III.1.2. Proposition d’un modèle contrainte-déformation pour des colonnes confinées avec des matériaux composites tenant compte de l’endommagement initial du béton 232

Chapitre III.2 : MODÈLE DE TYPE RÉSISTANCE 240

III.2.1. Déformation circonférentielle à la rupture du composite PRF 240
III.2.2. Modèle proposé pour les sections circulaires 240
III.2.2.1 Résistance à la compression axiale 240
III.2.2.2 Déformation axiale ultime 243
III.2.3. Validation du modèle proposé 243

Références 246

CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES 247