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Le renforcement des structures de génie civil par matériaux composites - Principes de fonctionnement, règles

de dimensionnement

Marc Quiertant (Jean-Luc Clément)[email protected]

Mastère ENPC – 1 juin 2016Module Maintenance, Pathologie et Réparation des ouvrages

Le renforcement des structures de génie civilpar matériaux composites

�1. Introduction

�2. De quels matériaux s’agit-il ?

�3. De quelles caractéristiques mécaniques ?

�4. Mécanismes de rupture (éléments en flexion)

�5. Comment calculer aujourd’hui ?

�6. Quelles évolutions ?

2

1. Introduction

�Recommandations du groupe de travail AFGC

« REPARATION ET RENFORCEMENT DES STRUCTURES EN BETON AU MOYEN DE

MATERIAUX ORGANIQUES »

� Publication de l’Association Française de Génie Civil

� Édition Fev-2011

�Version anglaise à paraître (2015 ?)

�Version « renforcement parasismique » à paraître (2015 !)

Travaux en cours

3

Travaux en cours

2. De quels matériaux s’agit-il ?

Fibres

Fournissent la résistance et la rigidité

Carbone, verre, aramide

Matrice

Protège et transfère les charges entre les fibres

Époxy, vinylester

Fibre MatriceComposite

Produire un matériau avec des attributs supérieurs à ses composants individuels!

Polymères renforcés de fibres

Les fibres et la matrice ont chacune des rôles essentiels dans le matériau

composite…

4

2. De quels matériaux s’agit-il ?

� matériaux organiques, à base de fibres de carbone d’aramide (KEVLAR®) ou de verre,

� Lamelles de carbone (pultrudés) + tissus secs,

Avantages des matériaux compositesAvantages des matériaux compositesAvantages des matériaux compositesAvantages des matériaux composites

☞ Forte rigidité longitudinale,

☞ Insensibilité à la corrosion,

☞ Excellent rapport résistance mécanique/masse (optimisation dupoids propre ou des charges suspendues),

☞ Souplesse des tissus et plats pultrudés permettant unconditionnement adapté à la manutention, ainsi qu’une grande rapiditéet facilité de mise en œuvre (entraînant peu de perturbation du traficlors d’un chantier de réparation).

Pour certains :☞Très faible conduction électriques (pas le carbone !)

☞Neutralité électromagnétique

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2. Principe de fonctionnement

mécanique. a) Renfort à la flexion

� Ajout d’armatures extérieures

� Alternative à la technique des tôles métalliques collées.

Plat collé



6



☞ Densité: Plat composite : 1,5 à 1,8. Acier laminé :7,8


mécanique. b) Renfort à la compression

� Confinement de l’élément comprimée

7


mécanique. b) Renfort à la compression


mécanique. c) Renfort à l’effort tranchant

8


mécanique. c) Renfort à l’effort tranchant

Poteaux

Colonnes

Poutres

Murs de Maçonnerie

ContreventementVoiles

Couvertures Dalles

Éléments de liaison/d’appuisRenforcement parasismique

DOMAINES D’APPLICATION : Réparation...

9

... ou renforcement de structures saines.

�Règles de dimensionnement parasismique non disponibles dans le document AFGC.

�Groupe de travail « Renforcement parasismique des structures béton armé par collage externe de polymère renforcé de fibre » en activité (E. Ferrier & M. Quiertant)

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3. De quelles caractéristiques

mécaniques ? (1/3)

Matériaux Module d’Young

[MPa]

Résistance traction [MPa]

Allongement à la rupture

Nombre de couches

Document de

référence Acier (tôles) 200 000 360-440 > 5% 3 x e=3mm

3 x e=5mm Fascicule 66

Lamelle carbone

(Pultrudé)

>160 000 >165 000

>205 000

>2 800 (seule)

>2 800 (seule)

>2 500 (seule)

>1,78%- 1,94% >1,7%

>1,7%

3 x e=1,2mm 3 x e=1,2mm

3 x e=1,4mm

CCT+ avis technique

Tissus carbone

(tissus secs) avec résine

55 000 62 000 70 000 84 000

105 000 173 000

750 620 700 590

1 400 280

1,15% 1,0% 1,0%

1,25% 1,3%

0,25%

3 x (e=0,13mm) 4 x (e=1,0mm) 4 x (e=1,0mm)

e=0,18mm >3 x (e=0,43mm)

e=0,19mm

CCT (Avis technique)

Pré-imprégné carbone

235 000

3 400

1,3%

10 x (e=0,14mm)

Tissus verre E 25 000 24 000

550 500

2,2% 2,1%

3 x (e=1,0mm) 3 x (e=1,0mm)


mécaniques ? (2/3)

� RAIDEUR= module x épaisseur

(ELS)

� EFFORT= contrainte x épaisseur

(ELU)

� lamelles/acierraideur équivalenteeffort ultime + grand

� tissus en place/acierraideur + faibleeffort ultime équivalent

0

200

400

600

800

1000

1200

0 2 4 6 8 10 12

effort : contrainte x épaisseur [MN]

raid

eur

:mod

ule

x é

pais

seur

[MN

/m]

acier 5mm

acier 3 mm

lamelles 3,6 mm

lamelles 4,2 mm

lamelle 1,2 et 1,4 mm

tissus secs en place

Effort/m = résistance x épaisseur [MN/m]

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mécaniques ? (3/3)

REMARQUES COMPLEMENTAIRES� Superposition de tôles : réduction du taux de travail (raideur

flexionnelle des tôles)Matériaux organiques : pas de réduction

� Tôles : non utilisables dans les cas de chargements de fatigue ou sismiques

Matériaux organiques : utilisables

� Matériaux organiques : utilisables dans les cas de frettage, de renforcements de poteaux, pressions localisées (études, modèles et règles en cours d ’élaboration)

� Poids des composites faible : systèmes « légers » de mise en place

Adaptabilité à la géométrie du support

12

Adaptabilité à la géométrie du support

4. Mécanismes de rupture et conséquences : flexion (1/6)

En partie courante de poutres ou de dalles (flexion) : Réparation d’éléments fissurés (fissures de traction) avant réparation

� Risque de sur-contrainte dans le composite au droit des fissures - rupture en traction du composite :on tire trop sur le composite-ou délaminage : on tire trop au bord du plan de collage

� CONSEQUENCE : limitation des contraintes de traction dans le complexe composite

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� Loi de comportement du compositeen traction

� Contraintes limites de calcul

ff

εf

65,0=fα

Prise en compte desévolutions avec le temps

Coefficient de sécuritéf(matériaux, E.L.)

f

ffdf

ff

γα

=,

Contrainte moyenneà rupture

Contrainte de dimensionnement



� Valeurs des coefficients de sécurité (à défaut de coefficients justifiés par le fabriquant)

fγ ELS ELU ELU accidentel

Pultrudéscarbone/epoxy

1,4 1,25 1,0

Stratifiés in situcarbone/epoxy

2 1,4 1,1

Stratifiés in situverre/epoxy

2,5 1,6 1,3

� E.L.S. : tôles collées [2,1 ; 4,1]composites [2,1 ; 3,9] avec le coefficient

� (tôles non calculées à l ’E.L.U. sauf délaminage)

65,0=fαÀ défaut…

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4. Mécanismes de rupture et conséquences (4/6)

� Compression des bielles� Traction des At.� Cisaillement interface

Exemple de rupture par délaminage(sans renforts latéraux)

CONSEQUENCES PRATIQUES: - Nécessité de soigner la mise en œuvre- Vérifier la qualité du béton (cohésion superficielle ≥ 1,5 MPa)

Ruptures de cisaillement dans le béton

CONSEQUENCES DIMENSIONNEMENT:- Définir un cisaillement limite


� Principe de renforcement à l ’effort tranchant

� Méthode de calcul de type treillis de Ritter-Mörsch

� Modes de rupture aux appuis� cisaillement aux extrémités à

déterminer� Longueur de transfert, recouvrement

Référence aux BAEL, BPEL et EC2

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� Prise en compte des ruptures d’interfaces� Pas de rupture dans la colle (bonnes caractéristiques mécaniques)

si la mise en œuvre est correcte (CCT)� Risques de rupture à l’interface composite/béton

� Loi de comportement interface (ou de la colle)

Expérimentale

γad,e γad,u

Déformation de cisaillement

τ (MPa)

τad,u

τad,e

Gad

f(procédé, E.L.)

! Notations

)T(f Gad =α


τ

td

tjead f

γτ

;,

γad

= addad α *min,

2520

14 x 14

2


� Prise en compte des ruptures d’interfaces� Pas de rupture dans l’adhésif (bonnes caractéristiques mécaniques)

si la mise en œuvre est correcte (CCT)� Risques de rupture à l’interface composite/béton

� Loi de comportement interface (ou de la colle)

γad,e γad,u

Déformation de cisaillement

τ (MPa)

τad,u

τad,e

Gad


τ

td

tjead f

γτ

;,

γad

= addad α *min,

f(E.L.)

Résistance caractéristique du béton en place(pastillage)

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τ

td

tjead f

γτ

;,

γad

= addad α *min,

ELU γtd = 1

ELS γtd = 3/2τ

td

tjead f

γτ

;,

γad,u

= addad α *min,

5. Comment calculer aujourd’hui ? (1)

�Aujourd’huichaque procédé est défini par un CCT ou un avis technique

�Recommandations provisoires AFGCréparation et renforcement des structures au moyen des matériaux composites

Évolutions possibles des recommandationsÉvolutions possibles des recommandations

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� 1. Avis Technique CSTB n° 3/07-540 Foreva TFC – Eléments de structurerenforcés par un procédé de collage de fibres de carbone, Freyssinet.

� 2. Avis Technique CSTB n° 3/07-50 SikaWrap®-230C /45 - Tissu de fibresde carbone pour renforcement de structures, pour Sika France S.A.

� 3. Avis Technique CSTB n° 3/06-491 ROCC+® - Eléments de structurerenforcés par un procédé de collage de fibres de carbone, GTMConstruction.

� 4. Avis Technique CSTB n° 3/07-524 V2C® - Eléments de structurerenforcés par un procédé de collage de fibres de carbone, VSL France.

� 5. Avis Technique CSTB 3/06-492 CARBOPLATE MAPEWRAP - Eléments destructure en béton armé, renforcés par un procédé de collage de fibres decarbone, MAPEI France.

� Cahier des clauses techniques N° 61 Compodex C 12 / VE� …


� 5.1 Généralités et limites d’utilisationAllongement minimum du composite à rupture : 0,85%

Température d’utilisation T-20°C <T< TG - 10°C

TG : température de transition vitreuse

A défaut de spécifications particulières de la part du fabricant

Colle : rupture cohésive dans le béton pour B20-B50

N.B. La surface du béton doit présenter une cohésion superficiellesupérieure ou égale 1,5 MPa en l’absence de justificationsparticulières.

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5.2. Caractéristiques des matériauxbétonacier d ’armaturescompositescolle interface composite-béton

� 5.3. Actions et sollicitations (BAEL, EC1)� 5.4. Justification des pièces prismatiques

soumises à des sollicitations normales (BAEL, EC2)


5.4.1 État Limite Ultime de RésistancePrincipes et hypothèses de calcul

⌧les sections droites restent droites⌧pas de glissement relatif entre les armatures métalliques ou le

composite et le béton⌧résistance du béton en traction négligée⌧résistance du composite en compression négligée⌧déformation béton en compression : 0,0035⌧déformation armatures tendues : 0,010⌧loi de comportement de calcul composite et contrainte limite⌧déformation limite du composite εfu,d = Min{ffu,d/Ef ; 0,85%}

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Principes et hypothèses de calcul État Limite Ultime (suite)⌧totalité des charges prises en compte en une seule fois (pas de

phasage)⌧« pivot » supplémentaires D qui correspond à l ’atteinte de

l’allongement maximum ultime du composite

εaoA10%0

B3,5 °/00

D ; εfu,d

Déformation des armaturestendues au moment de la réparation


5.4.2 État Limite de ServicePrincipes et hypothèses de calcul⌧les sections droites restent droites⌧pas de glissement relatif entre les armatures métalliques ou le

composite et le béton (n=Es/Ec=15)

⌧diagrammes contraintes-déformation élastiques⌧résistance du béton en traction négligée⌧résistance du composite en compression négligée⌧contrainte limitée dans le béton en compression⌧contrainte limite dans les armatures tendues (fissuration)⌧limitation de la contrainte dans le composite

σflim = Min {ff,d,ELS; 450 MPa}

15⋅=s

ff

EEn

f

ffdf

ff

γα

=,

20

5. Comment calculer aujourd’hui ? (7)Principes et hypothèses de calcul ELS (suite)

⌧prise en compte du phasage (charges sup. apportées après renforcement)

• la position de l’axe neutre ne varie pas de manière significative avant et après renforcement si :

– les positions des axes neutres varient de moins de 10% de h – la contrainte de compression dans le béton est < 0,5.fcd

h

d

x As’

As

Af

σs’1/n

σs1/n

σs’2/n

σs2/n

σf/nf

++++ ====

σs’/n

σs/n

σf/nf

15⋅=s

ff

EEnn=Es/Ec=15

σc1 σc2 σc

− σs = σs1+σs2 ≤σslim

− σs’ = σs’1+σs’2 ≤σs’lim

− σc = σc1+σc2 ≤σclim

− σf ≤σflim


5.4.3 État Limite de Déformation⌧calcul type BAEL (intégration des courbures) en prenant en

compte le phasage de renforcement

5.4.4 Condition complémentaire*

⌧Concerne le cas du calcul au Feu (règles FB**)

Sollicitations induites par les charges extérieures avec une combinaison d'actions de type accidentelle (incendie)

<Sollicitations résistantesUltimes de la poutre en négligeant le composite

*Sans mise en œuvre de produit de protection

** Méthode de prévision par le calcul du comportement au feu des structures en bétonNorme expérimentale P92-701 décembre 1993

Amendement A1 : Norme expérimentale XP P92-701/A1 décembre 2000

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⌧Chargement sismiques et chocs hors recommandations

(�� Version 2015 !)


� 5.5. Justification vis-à-vis des sollicitations tangentes

Les principes⌧définition d’une longueur d’ancrage de dimensionnement⌧dimensionnement à l’effort tranchant (type treillis), avec

vérification de la résistance des bandes composites⌧détermination du cisaillement à l’interface béton/composite et

vérification (zones courantes)⌧étude particulière des extrémités des renforts (zones de transfert)

et vérification du cisaillement dans le béton

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� 5.5. Justification vis-à-vis des sollicitations tangentes

Longueur d’ancrage de dimensionnement⌧ Longueur d’ancrage exp. : celle nécessaire à solliciter le

composite au maximum de sa capacité en traction⌧ Essai à double recouvrement

ead

fancr F

Rmml

,exp, .200=

Longueur de collage essai

Effort maxi traction du composite

Charge expérimentaleà rupture

{ }thancrancrdanc lll ,exp,, ;min=

2520

14 x 14

2

eadf

ancr

F

mm

R

l

,

exp, .200=


� 5.5. Justification vis-à-vis des sollicitations tangentes (suite)

Longueur critique d’ancrage théorique⌧Équilibre de l’effort de traction dans le composite par

intégration des contraintes moyennes de cisaillement sur la longueur d’ancrage

Cisaillement de dimensionnement

Section droite composite

Largeur composite

thancrl ,

fthancrdaddfdfuf blAfF ... ,,,, τ==

fdad

dfdfuthancr b

Afl

.

.

,

,,, τ

=Contrainte de dimensionnement

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⌧dimensionnement à l ’effort tranchant

Quelques précisions• Une insuffisance d’armature d’effort tranchant peut être compensée

par du composite, le composite se comportant alors comme une armature externe complémentaire aux étriers en acier existants. Le composite permet de « recoudre » une fissure d’effort tranchant

• Les bandes peuvent entourer la poutre, ou être ancrées dans la table de compression, dans ce cas il n’y a pas de pb. d’ancrage (lanc=0).

• Le dimensionnement du renfort consiste à déterminer la répartition des bandes de composite (largeur Lf et espacement Sf)


⌧dimensionnement à l’effort tranchant (type treillis)

0,9 dlanc

h

0,9 d

h-lanc sf

Renforcement à l’effort tranchant pour une fissure inclinée à 45° dans une poutre en T

Af Af Af Af

( )[ ].

,9,0. ,,

f

Vancfdff

Vf s

lhdMinfAV u

−= α

Limitation de l’effort de traction dans le renfort(= limitation du cisaillement à l’interface)

2520

14 x 14

2

Vu= Vb + Va+ Vf

Capacité Ultime à l’effort tranchant (N):

hf

24

0,9 dlanc

h

0,9 d

h-lanc sf

Af Af Af Af

( )[ ].

,9,0. ,,

f

Vancfdff

Vf s

lhdMinfAV u

−= α

Af=2 tf bf, bf étant la largeur d’une bande de composite

hf est la longueur d’une bande de composite

Si la poutre le permet, les bandes composites entourent la poutre, alors lanc=0

- Il est généralement nécessaire d’ancrer le composite, mais il n’est pas toujours possible d’assurer cet ancrage sur la longueur lanc,d. Celui-ci est donc ancré sur lanc,Vu tel que

danc

VancV l

lu

,

,=α

Ceci entraîne une limitation de la contrainte de traction admissible dans le renfort : αv ff,d


⌧Cisaillement béton/colle (renfort longitudinal en zone courante)

⌧Cisaillement à l ’extrémité du renfort• ELS

• ELU

⌧Critère de rupture de l’interface dans la colle

+

=τ

sf

f

f

Uu

FF

F

zb

V

. dadU ,ττ ≤

daddancf

ELSELS lb

F,

,max, .

.2 ττ ≤=

daddancf

ELUELU lb

F,

,max, .

.2 ττ ≤=

=

td

tj

ad

eadaddad

f

γγτ

ατ ;*min ,,

Essai d’interface

Résistance caractéristique du béton en place(pastillage)

délaminagedélaminage

Z=0,9 d à défaut d’une valeur exacte, Ff et Fs efforts à l’état ultime repris dans le composite et les aciers longitudinaux

FELS et FELU efforts repris par le composite dans la section situé juste après la zone de transfert

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!!! Il existe des disposition constructives

spécifiques non prises en comptes dans le

document AFGC :

☞Ancrages (mèches, micro-mèches, dispositifs d’ancrage métalliques, ...)

☞ Lamelles précontraintes

☞Divers


Cas des poteaux

26


Cas des poteaux

)(1''

paepuhcfccc fkfkkkff ++= ψOn évalue la résistance dubéton confinéf ’ cc suivant :

•Résistance du béton

•Un coefficient « de performance »

•Un coefficient(dépendant de la géométrie de la section)

•Un coefficient(dépendant de la largeur, de l’espacement et de l’orientation des bandes de confinement)

•La pression de confinement due au composite

•Un coefficient(dépendant de la résistance du béton)

•Un coefficient dépendant de la géométrie des sections et de l’espacement des cadres•La pression de confinement due aux cadres en acier

Sf

bf

b ouD

θf

Sf

bf

b ouD

θf


Cas des poteaux :

Cas de confinement non uniforme

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)(1''

paepuhcfccc fkfkkkff ++= ψ

fuppu Ef ε⋅=

fpf

p Er

ntE ⋅

⋅=

Section circulaire

fpf

p Eb

ntE ⋅

⋅=

2

Section rectangulaire

Module élastique du composite Nombre de couches

Rayon

Épaisseur d’une couche de composite

Def ultime du composite

Module de confinement

Grand coté

[ ]asccbu fAfAN +≤ 'α

Une réduction significative de l’efficacité du confinement à été observée lors d’essaissur colonnes élancées (Mirmiran et al., 2001; Thériault, etal., 2001), on introduit doncun paramètre supplémentaireα pour rendre compte de ce phénomène (N.B strictementmême expression deα que dans le BAEL).

(λ≤ 50).2

352.01

85.0

+=

λα


Cas des poteaux :

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6. Quelles utilisations ?

Réparation et renforcementUne solution (parmi d ’autres)Mise en œuvre par équipes spécialisée (règles de mise en

œuvre)poutres et dalles et flexion simple ou composée, poutres à

l ’effort tranchantpoutres et dalles en fatigue, éléments soumis à des pressions

localisées (poinçonnement de dalles dans version 2011)renforcement de poteaux, poutres et voiles soumis à des

charges sismiques (notamment projet ANR en cours)

6. Quelles limites ?

� Cas des incendies*Calcul ELU avec charges non pondérées en prenant seulement

en compte les armatures existantes les raisons :

⌧la température de transition vitreuse (TG) des colles actuellement employées varie entre 50 et 80°C

⌧difficile de protéger efficacement ces colles⌧dans l ’avenir, TG peut-être beaucoup plus élevée

*Sans mise en œuvre de produit de protection

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Sels de déverglaçage

Cycles thermiques

Pollution

UV

Pluie

� Évolution des recommandations : déjà en discussion… Applicables au béton précontraint ?

� Projets de recherche, ANR (chocs et sismique), PN (en montage) ou opération IFSTTAR « Durabilité des composites collés (Benzarti & Quiertant - RCMA 2012)

6. Quelles évolutions ?

Merci !

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