COMPOSANT DE STRUCTURES
3.2.1. Murs de maçonnerie
Il convient de préciser que l’ensemble des murs ont été construits par un seul maçon professionnel de sorte à considérer des corps d’épreuve réalistes aux imperfections de mise en œuvre à la fois limitées et courantes.
Figure 3-1 : Descriptif du mur de maçonnerie non-renforcée (témoin)
Il s’agit de murs maçonnés de briques de béton creux constitués de parpaings courants qui sont reliées à l’aide d’un mortier de ciment Portland (CEM I). Les propriétés mécaniques de ces deux composants sont données dans la partie 2.2 – Chapitre 2. Les murs sont surmontés d’un linteauen
1030 400 1260 150 hmor e = 75 hm or 300 300 250 75 200 Parpaing Parpaing 1410 1260 150 beton d'arase
Semelle de beton armee Mortier
A
A
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béton afin d’assurer une transmission convenable des efforts horizontaux et verticaux. Il importe de relever que la totalité des murs reposent sur des semelles en béton armé (sur) dimensionnées pour s’affranchir de tout endommagement susceptible d’altérer la qualité des résultats et a fortiori leur interprétation (Figure 3-1)
3.2.2. Renforcement des murs par matériaux composites FRP et TRC 3.2.2.1. Caractéristiques des renforts composites FRP
La revue bibliographique a mis en évidence les potentialités des composites polymères époxy-carbone et, dans une moindre mesure, celles de l’époxy-verre. C’est fort de ce constat que les deux natures de composites ont été retenues dans le cadre d’une structure tissée bidimensionnelle a priori adaptée à l’état de sollicitation bi-axiale auquel le renfort sera soumis. La résine époxydique est un bi-composant répondant à l’appellation commerciale « EPONAL TFC », Tableau 3-1.
Tableau 3-1 : Dosage de la résine d’époxy EPONAL TFC
Composants EPONAL résine EPONAL durcisseur
Aspect Densité
Ratio de mélange en poids Ratio de mélange en volume
Liquide épais de couleur beige 1,32 – 1,36
100 2
Liquide épais de couleur ambre 1,00 – 1,40
40 1
La Figure 3-2 illustre la géométrie et les dimensions des spécimens. Les éprouvettes époxydiques ont été caractérisées en traction directe selon la norme ISO 527-2 et ont été confectionnées selon la norme ISO 178. Les propriétés obtenues sur la base de 6 corps d’épreuve sont les suivantes : résistance à la rupture : 24r1,5MPa ; déformation à la rupture : 1r0,3% ; module d’Young : 1961r120MPa.
Figure 3-2 : Spécimens d’époxy pour les essais de traction
Deux types de renforts composites ont été utilisés, le premier est un composite bidirectionnel à base de fibres de carbone (a) sous forme de bande étroite de largeur fixe 50 mm et le deuxième est un tissu de fibres de verre (b) également bi-directionnel. Le tissu peut être appliqué sur une grande surface de par son conditionnement en largeur de 1 m.
(a) (b)
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Les caractéristiques des matériaux composites CFRP (pour les fibres de carbone) et GFRP (pour les fibres de verre) ont été établies expérimentalement en considérant 6 spécimens selon la norme ISO 527-1. Le Tableau 3-2 résume les résultats obtenus.
Tableau 3-2 : Caractéristiques mécaniques des renforts composites utilisés
Renfort composite Epaisseur nominale (mm) Module d’Young (GPa) Résistance à la traction directe (MPa) Déformation à rupture (Pdef) CFRP 0,48 105 1700 16000 GFRP 1,7 7,2 100 13800
3.2.2.2. Caractéristiques des renforts composites TRC
Le recul sur les composites de type TRC est sensiblement moins substantiel que celui relatif aux FRP. Pour autant, il est désormais établi que l’optimisation des TRC peut mobiliser divers leviers, aux effets parfois conflictuels, dont grand nombre ont été identifiés.
Au-delà de l’état de surface des fibres (ensimage), forcément déterminant, l’imprégnation ou la mouillabilité, le taux de travail, sont aussi en lien direct avec le diamètre du roving et celui du filament (la surface offerte à l’imprégnation). Le procédé de transformation des TRC influence également la qualité du composite obtenu. Dans la même veine, si l’adhésion (physico-chimique) des filaments périphériques-mortier est primordiale, il convient de ne pas négliger l’adhérence filament-filament (cœur du roving) discontinue, hétérogène et principalement frictionnelle et essentiellement conditionnée par l’état de surface des fibres.
Bien que très peu traitée ou même évoquée l’adhérence de type « structurelle » n’en est pas pour autant négligeable ou sans effet et peut même constituer un critère de choix pour améliorer les performances globales du composite textile-mortier. Dans cette optique il est possible d’identifier les paramètres déterminants suivants : dimensions de la maille, type de textile, connexion chaine-trame, taille et réparation des granulats, etc.
Dès lors, et sur la base des travaux conduits par Contamine et al. [CON(2011)] il a été possible de sélectionner un composite dont les éléments constitutifs sont résumés par le Tableau 3-3 et qui est le fruit d’un compromis entre les divers paramètres susmentionnés auxquels les dimensions ouvrabilité et thixotropie (à des fins de mise en œuvre adaptée au renforcement) ont été rajoutées. Le pourcentage en volume des fibres de verre (AR fibres) est égal à 4,36% (volume total) correspondant à 2,18% (dans deux directions principales). Le renfort textile retenu est une grille tricotée (maille jetée) bi-dimensionnelle.
Tableau 3-3 : Formulation du composite TRC
Renfort textile Micro-mortier**
Nature des fibres Verre-AR Taille des grains 2 mm*
TEX 1200* Fumée de silice Oui*
Diamètre de fibre 19 Pm* Thixotropie Oui*
Nombre de filament/fil 1600* Retrait a 0*
Taille de maille tricotée 3 mm x 5 mm* Résistance à la traction 5 MPa** Résistance ultime (fil) 1102 MPa* Résistance en compression 40 MPa*
Module d’Young 74000 MPa* Module d’Young 1700 MPa*
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Les caractéristiques mécaniques ont été expérimentalement obtenues au moyen d’essais de traction directe dont le protocole a été validé (Contamine, [CON(2007)]). Il s’agit d’un essai de traction directe adapté aux matériaux composites fissurants (Figure 3-4).
Figure 3-4 : Descriptif des spécimens et du dispositif de l’essai en traction directe
Les lois de comportement constitutives des TRC données sous la forme contrainte – déformation (moyennes) sont présentées dans la Figure 3-5.
Il convient de préciser que les éprouvettes ont été mises en œuvre par moulage au contact. Deux variantes ont été retenues. La première, TRC1, est constituée d’une couche de textile intégrée dans le mortier tandis que dans la deuxième, TRC2, dans l’objectif d’améliorer la performance du TRC, un produit de revêtement (latex polymère) conçu pour faciliter l’imprégnation des fibres (Balayssaca et al. [BAL(2011)] ; Almeida et Sichieri [ALM(2007)]) est appliqué pour le textile avant d’imprégner dans le mortier. En conséquence, deux lois de comportement ont été déterminées pour ces deux types de TRC.
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Il est loisible, comme le montre la Figure 3-5, de distinguer deux lois de comportement. En effet, si l’absence de résine d’imprégnation (latex) est associée à un comportement potentiellement assimilable à une évolution bi-linéaire, le recours au latex, de par l’effet d’homogénéisation de la contribution des filaments, induit une évolution qui pourrait, en première approche simplificatrice être apparentée à une évolution linéaire (Figure 3-6).
Figure 3-6 : Idéalisation des lois de comportement des TRC
3.2.2.3. Caractéristiques des ancrages par composite à base de polymère renforcé de fibres FRP
Aux fins de limiter, idéalement de supprimer, le soulèvement du mur dans le cas d’une sollicitation de type flexion composée et de valoriser au maximum les solutions de renforcement à travers un taux de travail a priori amélioré, une connexion, sous la forme d’un ancrage, a été envisagée entre le mur (en partie basse) et la semelle de fondation. Etant donné les solutions existantes et le caractère établi de leurs performances (facilité de mise en œuvre, résistance élevée) seules des solutions d’ancrage carbone-époxy ont été considérées. Il s’agit plus précisément de mèches d’ancrage composées de deux parties :
¾ l’ancrage : une partie destinée à être enfilée et scellée dans un forage réalisé dans la fondation, ¾ le fouet : une partie fibreuse destinée à être stratifiée avec le composite.
La mèche d’ancrage (MAPEI) est constituée d’au moins de 36 fils de carbone, comprenant chacun 12000 fibres. La capacité d’ancrage garantie fabricant est de 30kN à l’ELU.
La définition des propriétés des mèches d’ancrage (section et longueur) est le fruit d’un dimensionnement en capacité ultime
116 3.2.3. Configurations de renforcement
3.2.3.1. Stratégies de renforcement
Bien que les présents travaux se limitent à l’étude, en première approche, des seules sollicitations statiques monotones, ils n’en constituent pas moins le premier jalon d’une approche plus globale dont la finalité applicative ultime porte sur le renforcement vis-à-vis d’excitations sismiques.
Figure 3-8 : Différentes stratégies de renforcement [Davidovici (1999)]
Dans cette optique, la définition des configurations de renforcement se doit de s’inscrire dans une stratégie visant à « arbitrer » entre la capacité portante (résistance) et la faculté de dissiper de l’énergie (Davidovici [DAV(1999)]). L’objectif d’un renforcement d’une structure est donc soit d’augmenter la résistance globale du composant, soit d’augmenter la ductilité soit d’obtenir un effet combiné (Figure 3-8). Dans le cas des maçonneries où le comportement est généralement très fragile, les chaînages en béton armé présents à l’échelle de la structure ont vocation à jouer ce rôle. Il n’en demeure pas moins que la littérature met en avant un manque de résistance au cisaillement des murs et dans certains cas un défaut de résistance à la flexion dans le plan du mur. Le gain de ductilité de ces éléments peut également être intéressant.
Par ailleurs, dans le but de s’affranchir de sollicitations hors plan, seules des configurations de renforcement symétrique sur les deux faces ont été envisagées. C’est fort de cette réflexion qu’ont été précisées les diverses configurations de renforcement (FRP et TRC).
3.2.3.2. Configurations de renforcement par FRP
Pour les renforts de FRP, trois schémas de renforcement ont été proposés. L’emploi des bandes carbone de faible largeur est plus spécifiquement destiné à l’accroissement de la capacité portante vis-à-vis de la flexion dans le plan, alors que le recours à de larges bandes de verre est susceptible d’œuvrer principalement, bien que non exclusivement, à l’amélioration des capacités dissipatives du mur à travers le pontage supposé des fissures, de nature à affecter favorablement la ductilité du mur. L’utilisation de renforcement combiné de ces bandes de carbone et de verre, dont la rigidité et le taux de renforcement sont très importants, devrait permettre d’évaluer le niveau maximal de performance à atteindre en termes de capacité portante.
Le premier mur, nommé mur MRCG, a été renforcé par une combinaison de composites CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) et GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer). Chaque côté des deux faces est renforcé par une bande continue contenant deux couches de verre mesurant 1260x400mm2 et deux bandes discontinues de carbone ayant les dimensions de 1410x60mm2, la distance horizontale entre deux bandes est de 100mm. Les deux derniers murs, quant à eux, ont été
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renforcés soit par des bandes discontinues de CFRP (mur MRC), soit de GFRP (mur MRG) Figure
3-9.
Figure 3-9 : Configurations de renforcement par FRP (CFRP et GFRP)Tableau 3-4 qui
pourrait permettre de clarifier le calcul des taux de renforcement
Tableau 3-4 : Taux de renforcement des murs renforcés par FRP
Spécimen Type de renfort Epaisseur d’une couche, ࢚ࡾ (mm) Largeur d’une bande, ࢈ࡾ (mm) Nombre de bandes Aire de section totale de renfort (mm2) ࡾ ൌ σ ࢈ࡾǤ ࢚ࡾ Aire de section totale du mur (mm2) ൌ Ǥ ࢚ ࣋ ൌ ࡾ (%)