Brevet FR2790500A1 — publié le 20000908

PROCEDE ET DISPOSITIF DE RENFORCEMENT D'UN OUVRAGE EN BETON La présente invention concerne le domaine du renforcement structural d'ouvrages de construction. Dans ce domaine, il est usuel de coller des renforts au moyen de résines appropriées sur les parties d'un ouvrage à renforcer. Dans un procédé classique couramment appliqué, dit procédé Lhermite, le renfort consiste en une tôle d'acier collée sur du béton après préparation de la surface de collage. Ce procédé classique a suivi diverses évolutions tenant compte notamment de l'évolution technologique des matériaux, et plus particulièrement de l'évolution des matériaux de substitution de la tôle, laquelle pose fréquemment des problèmes de mise en oeuvre et nécessite des dispositions pour combattre la corrosion. C'est ainsi que l'on a vu apparaître ces dernières années des techniques de renforcement à base de matériaux composites sous forme de plaques collées (voir par exemple FR-A-2 594 871), puis sous forme de fibres collées (voir US-A-5 308 430) et de tissus collés. Ces derniers types de renfort présentent de nombreux avantages, notamment leur commodité de mise en oeuvre et leur aptitude à s'appliquer sur des surfaces de formes diverses. Ces différents types de renfort collés améliorent très sensiblement le comportement statique et dynamique de l'ouvrage renforcé. Il est d'ailleurs très rare d'observer une rupture du renfort lui-même. La figure 1 montre une coupe schématique d'une poutre en béton armé 8 reposant sur deux appuis 9 voisins de ses extrémités, et dont la face inférieure comporte, entre ces deux appuis 9, un renfort collé 10 résistant à la traction suivant la direction longitudinale de la poutre. Le renfort collé 10 améliore le comportement de la poutre 8 en réponse à un effort F tendant à la faire fléchir entre ses deux appuis 9. Lorsque l'effort F est suffisamment important pour provoquer une rupture de la structure de la poutre, cette rupture se produit généralement dans le béton "de recouvrement", c'est-à-dire dans l'épaisseur de béton non armé située entre la surface pourvue du renfort collé 10 et les fers d'armature sous-jacents 11. Typiquement, la rupture 12 s'amorce au voisinage de l'une des extrémités du renfort collé 10 sous l'effet de l'effort tranchant E résultant de la réaction R de l'un des appuis 9 et de l'effort de traction T qu'exerce le renfort 10, puis se propage le long des fers d'armature 11. En d'autres termes, c'est le béton de l'ouvrage qui cède, -2- dans une partie o il ne travaille pas en compression (son mode de sollicitation souhaité) mais en cisaillement. En conséquence, on n'exploite pas pleinement les propriétés du renfort collé. Pour augmenter l'effort de rupture d'une poutre telle que celle de la figure 1 renforcée par une tôle métallique, il a été proposé de coller d'autres morceaux de tôle, appelés verrous, sur les flancs de la poutre, qui procurent une résistance au cisaillement du béton. Cette méthode a l'inconvénient de n'être applicable que dans le cas d'une poutre dont les flancs sont accessibles. Dans la pratique, des renforts sont souvent collés sur des dalles ou des murs, et il est alors impossible de placer des verrous. La demande de brevet FR-A-2 754 556 décrit un procédé de renforcement d'un ouvrage en béton armé au moyen d'un renfort composite collé à base de fibres de carbone, dans lequel des mèches de fibres de carbone sont engagées, avec une résine d'agglomération, dans des trous percés obliquement dans le béton de l'ouvrage, afin de réaliser une liaison mécanique à base fibres de carbone entre le renfort collé et les armatures du béton. Ceci procure une résistance à l'effort de cisaillement. Un but de la présente invention est de proposer une autre solution permettant de limiter la contrainte de cisaillement auquel est soumis le béton de recouvrement de la surface renforcée de l'ouvrage. L'invention propose ainsi un dispositif de renforcement d'un ouvrage en béton, comprenant un renfort composite collé sur le béton de l'ouvrage et des moyens d'ancrage d'au moins une portion du renfort composite sur l'ouvrage. Le renfort composite comporte des fibres de renforcement s'étendant suivant au moins une direction principale. Les moyens d'ancrage comprennent au moins une plaque d'ancrage fixée au béton de l'ouvrage au moyen d'organes de connexion, dans une position telle qu'une surface extérieure de la plaque d'ancrage affleure une surface de l'ouvrage recevant le renfort composite. La portion ancrée du renfort composite est collée sur la plaque d'ancrage. La plaque fixée au béton reprend l'effort de cisaillement généré par le renfort collé dans sa portion ancrée, laquelle sera typiquement (mais non obligatoirement) voisine d'une extrémité du renfort. L'affleurement de la plaque d'ancrage assure que le renfort composite reste dans un plan de collage continu, sans accident géométrique pouvant créer des poussées au vide. -3- Les organes de connexion peuvent être de toute structure connue. Ils sont typiquement agencés de façon à s'étendre jusqu'aux zones du béton pourvues d'armatures, afin de réaliser une continuité de la reprise d'efforts entre ces zones et la surface sollicitée par le renfort composite collé. Dans des modes de réalisation particuliers du dispositif: le renfort composite recouvre la surface extérieure de la plaque d'ancrage sur une longueur d'au moins 10 cm mesurée parallèlement à la direction principale; le renfort composite s'interrompt, parallèlement à la direction principale, sur la surface extérieure de la plaque d'ancrage; la plaque d'ancrage présente une résistance au cisaillement supérieure à 1,5 MPa; la plaque d'ancrage est en acier et d'épaisseur au moins égale à 5 mm; la surface extérieure de la plaque d'ancrage présente des moyens de support d'un système de mise en tension du renfort composite; le renfort composite est tenu entre la plaque d'ancrage et une seconde plaque fixée au moyen des organes de connexion. Un autre aspect de la présente invention se rapporte à un procédé de renforcement d'un ouvrage en béton, comprenant les étapes suivantes former au moins un renfoncement sur une surface de l'ouvrage; - fixer une plaque d'ancrage dans chaque renfoncement au moyen d'organes de connexion, de façon telle qu'une surface extérieure de la plaque d'ancrage affleure ladite surface de l'ouvrage; et - coller un renfort composite, comportant des fibres de renforcement, sur ladite surface de l'ouvrage en orientant certaines au moins des fibres de renforcement suivant une direction principale de ladite surface de l'ouvrage, le renfort composite étant disposé de manière à avoir une portion collée sur la surface extérieure de la plaque d'ancrage. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence au dessin annexé, dans lequel: - la figure 1, précédemment commentée, est une vue schématique d'une poutre en béton armé pourvue d'un renfort collé et se rompant sous l'effet d'un effort de flexion; - la figure 2 est une vue de face d'un dispositif de renforcement selon I' invention; - la figure 3 est une vue en coupe du dispositif, suivant le plan 111-111 indiqué sur la figure 2; - 4- - la figure 4 est une vue en coupe du même type que la figure 3, montrant une variante du dispositif; et - la figure 5 est une vue de face d'une autre variante du dispositif. Les figures 2 et 3 illustrent l'application de l'invention à un ouvrage en béton armé dont une surface 15 est pourvue d'un renfort collé 16. Le renfort 16 est destiné à résister à la traction suivant une direction principale A de la surface 15. Il consiste de préférence en une bande de fibres de carbone ensimées orientées parallèlement à la direction A, ou encore en un tissu de fibres de carbone dont les fils de chaîne sont orientés selon la direction A, les fibres de carbone étant imprégnées d'une résine durcissant à température ambiante. La pose du renfort 16 peut notamment s'effectuer de la manière suivante: une résine époxy, apte à polymériser à température ambiante, est enduite à l'état liquide sur la surface 15; la bande ou le tissu est ensuite appliqué sur la surface enduite pour que la résine imprègne les fibres et assure le collage. La bande ou le tissu peut être appliqué par un simple marouflage, ne nécessitant pas l'application d'une pression prolongée. La résine utilisée est par exemple la résine époxy bi-composants constituée d'une part par la résine de base de marque "CECA XEP 3935/A", et d'autre part par le durcisseur de marque "CECA XEP 2919/B", ces deux composants étant fabriqués et commercialisés par la société CECA S.A., 12 place de l'iris, La Défense 2, Cedex 54, 92062 PARIS LA DEFENSE (FRANCE). Cette résine présente, lors de son application à l'état fluide, une viscosité à température ambiante comprise entre 1 000 et 10 000 mPa.s. Cette résine, une fois durcie, présente: - une résistance au cisaillement compatible avec celle du matériau constituant l'ouvrage, - une résistance à la rupture en traction comprise entre 5 et 100 MPa, avec un allongement à la rupture compris entre 0,5 et 10%, - et une résistance à la rupture en compression comprise entre 5 et 100 MPa, avec un raccourcissement à la rupture compris entre 0,5 et 10%. Les fibres de carbone ensimées constituant la bande ou le tissu 16 présentent une résistance à la rupture en traction qui est supérieure à 1 500 MPa, et un module élastique compris entre 200 et 400 GPa. La bande ou le tissu de fibres de carbone 16 est prolongé au-delà de la zone de la structure devant être renforcée, afin de réaliser un ancrage de ses -5 extrémités dans le béton de l'ouvrage. Pour réaliser un tel ancrage d'une extrémité, on installe une plaque 17 dont la surface extérieure affleure la surface de béton renforcée 15, et sur laquelle l'extrémité du renfort 16 est collée. La longueur L (mesurée parallèlement à la direction A), de la portion du renfort 16 collée sur la plaque d'ancrage 17 est typiquement d'au moins 10 cm, afin d'assurer une bonne reprise de l'effort de cisaillement. Cette plaque 17 est avantageusement réalisée en acier avec une épaisseur d'au moins 5 mm afin de présenter une résistance adéquate au cisaillement. Les dimensions et matériaux précis de la plaque 17, ainsi que les caractéristiques des moyens utilisés pour l'ancrer dans le béton, sont des paramètres dont les valeurs sont ajustées en fonction des sollicitations pertinentes pour chaque ouvrage à renforcer et des caractéristiques du renfort composite. Pour réaliser de tels ancrages du renfort 16, on procède comme suit. Avant de coller le renfort 16, on forme un renfoncement 19 au niveau de l'extrémité à ancrer de ce renfort. Le fond du renfoncement 19 est traité avec un mortier de ragréage pour le rendre lisse. Puis on perce dans le béton des trous 20 destinés à recevoir les organes 18 de connexion de la plaque. Ces trous 20 s'étendent jusqu'aux fers d'armature (non représentés) du béton de l'ouvrage afin de réaliser une liaison appropriée entre ces armatures et le renfort 16. La plaque 17, préalablement préparée pour recevoir le renfort collé (sablage), est installée dans le renfoncement et ancrée à l'aide des connecteurs 18 engagés dans les trous 20. Les connecteurs 18 sont typiquement des tiges d'acier engagees dans les trous 20 o elles sont scellées chimiquement ou mécaniquement. Ils pourraient également être en un autre matériau ayant les capacités requises pour travailler en cisaillement et en traction. Ces connecteurs peuvent être actifs (précontraints) ou passifs. Une fois mise en place et ancrée, la plaque 17 a sa surface extérieure qui affleure la surface 15 de l'ouvrage sur laquelle est collé le renfort 16. On peut alors coller le renfort 16 de la manière précédemment décrite de telle sorte que son extrémité chevauche la plaque d'ancrage 17. Selon les applications, un traitement protecteur et/ou décoratif de la surface renforcée pourra être appliqué. Dans la variante représentée sur la figure 4, le renfort 16 est tenu entre la plaque d'ancrage 17a sur laquelle il est collé et une seconde plaque 17b. La seconde plaque 17b peut avoir une configuration semblable à celle de la -6- plaque 17a. Elle est serrée contre le renfort 16 et la plaque d'ancrage 17a par la contrainte exercée sur les organes de connexion 18, par exemple au moyen des écrous. Dans la variante représentée sur la figure 5, des supports 24 sont soudés sur la surface extérieure de la plaque d'ancrage 27 pour porter l'axe d'un rouleau 25 perpendiculaire à la direction A. Le rouleau 25, qui peut être amovible ou non, sert à mettre en tension la bande de tissu de renforcement 16 au moment de son collage. Par exemple, la bande de tissu peut être enroulée sur le rouleau 25 et mise en tension par l'actionnement de celui-ci. On peut également exercer la traction sur la bande 16 au-delà des rouleaux 25 qui servent alors de renvoi pour guider la bande le long de la surface de l'ouvrage à renforcer et orienter la traction parallèlement à cette surface. L'invention a été décrite en référence aux figures 2 à 5 dans le cas de l'ancrage de l'extrémité d'un renfort collé. De façon semblable, toute portion du renfort pourrait être ancrée en recouvrant une plaque d'ancrage convenablement fixée à la structure à l'aide de connecteurs. De façon générale, le procédé de renforcement selon l'invention a l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre avec des configurations très diverses de la surface renforcée. -7- REVENDICATIONS 1. Dispositif de renforcement d'un ouvrage en béton, comprenant un renfort composite (16) collé sur le béton de l'ouvrage et des moyens d'ancrage d'au moins une portion du renfort composite sur l'ouvrage, dans lequel le renfort composite comporte des fibres de renforcement s'étendant suivant au moins une direction principale (A), caractérisé en ce que les moyens d'ancrage comprennent au moins une plaque d'ancrage (17 17a; 27) fixée au béton de l'ouvrage au moyen d'organes de connexion (18), dans une position telle qu'une surface extérieure de la plaque d'ancrage affleure une surface (15) de lI'ouvrage recevant le renfort composite, et en ce que ladite portion du renfort composite est collée sur la plaque d'ancrage. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le renfort composite (16) recouvre la surface extérieure de la plaque d'ancrage (17; 17a 27) sur une longueur (L) d'au moins 10 cm mesurée parallèlement à la direction principale (A). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la plaque d'ancrage (17; 17a; 27) présente une résistance au cisaillement supérieure à 1,5 MPa. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la plaque d'ancrage (17; 17a; 27) est en acier et d'épaisseur au moins égale à 5 mm. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la surface extérieure de la plaque d'ancrage (27) présente des moyens (24) de support d'un système (25) de mise en tension du renfort composite (16). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le renfort composite est tenu entre la plaque d'ancrage (17a) et une seconde plaque (17b) fixée au moyen des organes de connexion (18). 7. Procédé de renforcement d'un ouvrage en béton, comprenant les étapes suivantes: - former au moins un renfoncement (19) sur une surface (15) de l'ouvrage; -8- - fixer une plaque d'ancrage (17; 17a; 27) dans chaque renfoncement au moyen d'organes de connexion (18), de fa, çon telle qu'une surface extérieure de la plaque d'ancrage affleure ladite surface de l'ouvrage; et - coller un renfort composite (16), comportant des fibres de renforcement, sur ladite surface de l'ouvrage (15) en orientant certaines au moins des fibres de renforcement suivant une direction principale (A) de ladite surface de l'ouvrage, le renfort composite étant disposé de manière à avoir une portion collée sur la surface extérieure de la plaque d'ancrage. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on dispose le renfort composite (16) de manière qu'il recouvre la surface extérieure de la plaque d'ancrage (17; 17a; 27) sur une longueur (L) d'au moins 10 cm mesurée parallèlement à la direction principale (A). 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel on dispose le renfort composite (16) de manière qu'il s'interrompe, parallèlement à la direction principale (A), sur la surface extérieure de la plaque d'ancrage (17; 17a; 27). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel on installe un système (25) de mise en tension du renfort composite (16) sur la surface extérieure de la plaque d'ancrage (27), et on utilise ledit système pour mettre le renfort composite en tension au moment d'effectuer le collage. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel on place le renfort composite entre la plaque d'ancrage (17a) et une seconde plaque (17b) fixée au moyen des organes de connexion (18). 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on exerce une contrainte sur les organes de connexion (18) afin de serrer la seconde plaque (17b) contre le renfort composite (16) et la plaque d'ancrage (17a).