Technique de réparation par collage des tissus composites sur la surface extérieure

Parmi les techniques de la réparation et du renforcement des ouvrages endommagées est de coller des plaques métalliques sur la surface extérieure selon le procédé l’Hermite. Le procédé L’Hermite (L’Hermite 1967) était l’un les plus répandus dans le monde en raison des avantages (Theillout 1990) :

 il n’exige que des interventions mineures sur l’ouvrage ;  il est d’un emploi souple ;

 les renforts sont peu gênants.

Toutefois, selon (Theillout 1997), lors de l’utilisation des tôles collées sur la surface extérieure du béton, les principaux problèmes d’ordre technologique concernent :

 Mise en flexion locale des tôles au voisinage des fissures recouvertes ;  Répartition des efforts entre tôles dans le cas d’un empilement ;

 Répartition des déformations entre les aciers passifs internes à la structure et les aciers collés extérieurement.

En outre, le collage de tôles métalliques présente aussi quelques difficultés :

 Sensibilité de l’acier à l’oxydation (il demande donc une protection et un entretien soigné) ;

 Impossibilité de mobilisation de toute la résistance à la traction des tôles, même sous faible épaisseur (sollicitation le long d’une face) ;

 Nécessité d’une préparation spécifique de la surface à traiter (la raideur des tôles nécessite une surface parfaitement plane pour assurer l’uniformité de l’épaisseur du matériau de scellement) ;

 Nécessité d’un collage sous pression (vérins), pour assurer une adhésion suffisante et éviter les bulles d’air dans la couche de résine de collage ;

 Impossibilité de généraliser cette technique à des surfaces importantes (masses manipulées trop importantes), celle qui limite d’autant les possibilités de réparation.

Réparation par précontrainte additionnelle

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De plus, le poids propre des plaques et leur rigidité spécifiques rendent difficiles les conditions d’application in situ.

Pour améliorer la technique du collage des plaques en acier et éviter une partie de ces problèmes évoqués ci-avant, en France, Freyssinet international a amélioré le procédé, en 1977, en perforant les tôles collées. La Figure I-3 présente le renforcement du viaduc de Terrenoire près de Saint-Etienne par tôles collées perforées (Brevet Freyssinet).

En conséquence, à la fin des années 80, au Japon et en Suisse, une technique de réparation est apparue qui a remplacé les tôles métalliques par des tissus composites moins lourds (1/5 de la densité de l’acier), avec une résistance élevée à la traction (avec haut module d'élasticité), à la corrosion, et à la fatigue, faible conductivité thermique et plus faciles à mettre en œuvre (Luyckx 1999). Le tissu composite ne pèse que 0.8 Kg/m² ; le tissu en fibre de carbone peut être aisément découpé sur place à la forme désilée. De plus, la neutralité électromagnétique des matériaux composites, qui peut être importante dans certaines structures spéciales comme celles abritant les équipements d’imagerie magnétique. Cette voie est plus prometteuse, et consiste à développer une technique permettant le renforcement des structures en béton, en acier par imprégnation et collage d'un tissu sec à base de fibres. Après quelques chantiers d’essais, cette technique fut employée par la société Sika en Suisse dés 1993, puis étendue en Allemagne dés 1995 et en Angleterre en 1996 (Figure I-5).

Au cours des dix dernières années, des recherches approfondies ont été réalisés sur le renforcement des éléments structuraux en béton armé, avec la technique de renforcement par collage des matériaux composites sur la surface extérieure (EBR : Externally Bonded Reinforcement), cette technologie a également été mise en œuvre dans un grand nombre de projets dans le monde entier. Les tissus ou les plaques composites (FRP) sont généralement collés sur les surfaces tendues des éléments structuraux afin d’augmenter leur capacité en flexion, ou sur leurs surfaces latérales afin d'augmenter la capacité au cisaillement (Figure I-5a). De plus, des tissus composites (FRP) peuvent être appliqués sur le périmètre des poteaux en béton armé pour fournir un confinement qui permet d’améliorer leur résistance et leur ductilité (Figure I-5b). La Figure I-5c montre les tissus en fibre de carbone étant installés sur un mur intérieur en béton d'un bâtiment dans le but de mise à jour des exigences sismiques. La Figure I-6 présente le renforcement d’une poutre en béton armé au LMDC avec la technique du collage des tissus composites en fibre de carbone sur la surface tendue

L’avantage de cette méthode est la facile extrapolation des résultats obtenus par le collage de tôles d’acier à ceux obtenus avec des produits pultrudés également collés, la technique du renforcement restant la même. Cette technique nécessite une pression de collage limitée et à l'inverse des tôles d'acier, le tissu de fibre de carbone ne nécessite aucune pression de contacte pendant le durcissement de la résine et élimine les phénomènes d’oxydation.

Sa faible épaisseur, de l'ordre de 1 mm, permet son entraînement à la traction par la résine durcie, sans flexion parasite. Cette technique peut facilement se former au profil de l'élément structurel. Cela les rend plus adapté à courber, en forme de I, en forme de T ou autrement membres de forme irrégulière. Dans cette technique, le control de la propagation des fissures de tension est plus facile par le confinement du béton.

Chapitre I 30 a. Renforceme nt des poutres en béton armé en flexion et au cisaillement par la société Fyfe. b. Renforcem ent des poteaux à l'autoroute en utilisant des tissus composites (FRP) par la société Sika. c.

Renforcement des murs de contreventement d’un bâtiment en utilisant des tissus composites (FRP) par la société Racquel Hagen

Figure I-5 : Applications de la technique de collage des matériaux

composites sur la surface extérieure.

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Tissu composite en fibre de carbone Préparation de la surface du collage

Première couche de la résine appliquée sur la

surface tendue de la poutre ^{Mise en place manuellement le tissu composite}

Presser manuellement

Presser avec une spatule. Deuxième couche de la résine sur le tissu composite (1 à 2 mm)

Figure I-6 : Processus de réparation d’une poutre en béton armé au LMDC par le collage de tissu composite en fibre de carbone sur la surface tendue.

Chapitre I

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La résine est utilisée à double fin, elle réalise à la fois l'imprégnation du tissu et son collage au support. Il en résulte, d'une part, une grande simplicité de mise en œuvre et, d'autre part, un fonctionnement mécanique amélioré, le renfort ne comporte qu'une seule surface de contact. La résine peut être appliquée sur un support humide, après mélange de deux composants, sa durée de prise et de durcissement est de quelque heures ; cette durée varie faiblement en fonction de la température.

Cependant, l’utilisation de cette technique, comme celle des plaques métallique collées, permet difficilement de maîtriser les épaisseurs de colle, en raison de la rigidité des aciers et des matériaux composites. Cette technique a aussi une pauvre résistance au feu, au vandalisme, aux effets néfastes de la fumée et de la toxicité ou aux dommages accidentels. Cependant, les structures renforcées ou réparées par cette technique montrent de nouveaux problèmes scientifiques et en particulier une ruine précoce par le décollement, les différents modes de ruine sont présentés schématiquement dans la Figure I-8.

L'analyse du renforcement à l'aide de la technique de renforcement par collage des matériaux composite sur la surface extérieure, a montré que le coût des matériaux, supérieur à celui de la tôle d'acier, est largement compensé par l'économie réalisée sur les temps de main d'œuvre et le déplacement du matériel.

Cette méthode se caractérise par le placage des tissus composites, collées sur la surface par des colles époxydes. Les tissus sont en carbone ou en verre époxy et fabriquées par pultrusion. Ces tissus peuvent être mis en pré-tension grâce à nouvelles techniques de mise en œuvre (U. Meier 1998). Les tissus sont en matériaux composites avec des fibres unidirectionnelles d’une épaisseur de 1.5 mm et d’une largeur de 150 mm en général. Le procédé de collage est le suivant (Figure I-6 & Figure I-7) :

 nettoyage à l’acétone de la surface de collage des tissus ;

 traitement de la surface à réparer par sablage, par eau sous pression et meulage ;  nettoyage de la surface par un dépoussiérage ;

 application du polymère époxyde sur le tissu composite ;

 pressage des tissus sur la surface, enlèvement de l’excédent de colle ;

 application d’une pression à l’aide d’un sac à vide ou de moyens mécaniques jusqu’à complète polymérisation du polymère.

Figure I-7 : Installation de renforcement par collage des matériaux composites (FRP) sur la surface extérieure.

Collage des tissus composites (CFRP) par la

société Fyfe

Bandes composites (FRP) par la société Sika

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Figure I-8 : Modes de ruine conventionnelle et précoce des poutres renforcées en flexion par technique de collage des tissus composites.

I.3.2. Technique de réparation par l’insertion des barres composites