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CHAP III: TECHNIQUES DE REPARATION ET DE RENFORCEMENT
I. Introduction : Le choix d'une ou des méthodes de réparation et de renforcement est défini en relation étroite avec la nature et le degré d'importance des désordres constatés lors d'un diagnostic. Ce choix est tributaire de matériaux de construction utilisés, des techniques choisies, et de critères économiques. On peut être amener donc à procéder : A des remises en état d'éléments structurels présentant des défauts que l’on cherche à atténuer, pour obtenir un aspect satisfaisant tels que: l’obturation de fissures qui sont dues le plus souvent au retrait et aux variations environnementales. Au renforcement ou à la réparation d’éléments insuffisamment résistants, les réparations sont souvent réalisées dans les zones où les sections sont trop sollicitées et défaillantes, par contre le renforcement des éléments consiste à améliorer leurs caractéristiques mécanique de manière à ce qu’elles offrent une meilleure solidité aussi bien en état de service qu’en état de résistance ultime.
II. Caractéristiques des produits de réparation et renforcement: Les produits de renforcement utilisés doivent posséder vis-à-vis d'un béton dégradé les qualités suivantes : a) Présenter une compatibilité avec le support béton à savoir: un retrait limité pour des liants hydrauliques employés, ce phénomène qui apparaît dés la prise et au durcissement final, et de manière à éviter l'apparition de fissures ou un décollement de l'interface une adhérence au béton support et une résistance au moins égale à la résistance du béton renforcé. une adhérence aux armatures métalliques initiales ou rajoutées. des résistances mécaniques à la compression, à la traction, similaire ou supérieures à celles du béton de support. un coefficient de dilatation le plus proche possible de celui du béton support. b) présenter une durabilité par rapport aux conditions environnementales: les principaux agents agressifs participant au phénomène de corrosion des armatures à prendre en compte pour l'environnement sont : - les chlorures - les sulfates - le gaz carbonique - l'oxygène comme tout béton réalisé selon les règles de l'art, les produits de renforcement doivent présenter une bonne tenue vis-à-vis des agents agressifs:
III. Techniques de Réparation: Pour réparer un ouvrage en béton, on peut procéder soit par simple ragréage, lorsqu'il ne s'agit que de réparer des épaufrures (ou éclats superficiels de faible importance), soit en faisant une véritable restructuration, lorsqu'il faut reconstituer un volume de béton, souvent armé, qui participe à la résistance de l'ouvrage. 1.Préparation de la surface du béton à réparer: Le fonctionnement d’un renfort dépend de la transmission correcte des efforts entre le béton existant et l’élément additionné. Il doit exister une adhérence parfaite dans l’interface béton-élément de renfort. a. Première phase : Elimination du béton dégradé Il s’agit d’éliminer les éclats de béton en cours de formation. 1
L’opération consiste à repérer à l’oreille, en frappant la surface du béton, les zones qui «sonnent creux » et donc qui sont affectées d’une fissure interne engendrée par la poussée des armatures oxydées (Tableau III.1) [SID [ 69]. Le principal écueil à éviter est la création d’une micro fissuration parasite dont le nettoyage de surface ultérieur n’assure pas avec certitude l’élimination des micro - éclats. Il est conseillé de dégager sur toute leur périphérie les parties défectueuses défectueuses pour faciliter la tenue du mortier de réparation, de ménager une contre - dépouille à la périphérie des trous obtenus par élimination des éclats de béton, ce qui permet d ‘éviter aussi les bords «en sifflet » qui favorisent le «grillage » de périphérie périp du mortier de réparation . b. Deuxième phase : Nettoyage des surfaces Cette deuxième phase est nécessaire pour faire disparaître toute poussière ou souillure afin d’assurer une bonne adhérence au support du produit de couverture ou du primaire d’accrochage. Plusieurs méthodes de nettoyage sont utilisées, mais il faut d’abord s’assurer de la compatibilité entre la méthode de nettoyage prévue et la composition du produit de couverture. On distingue les méthodes à sec ( brossage, aspiration, soufflage age à l’air sec déshuilé ) et les méthodes humides (jet d’eau-sable).
Phot. : Surface dégagée avant (à gauche) et après le jet de sable (à droite). 2
2. Adjonction d’armatures d'aciers Il s’agit d’enlever le béton dans les zones où les aciers sont corrodés. Les armatures existantes, conservées doivent êtres bien soignées, afin éviter une continuité de leurs dégradations. Les armatures complémentaires doivent s’opposer à la fissuration et contribuer à la résistance des sections ainsi renforcées. La liaison s’effectue par scellement tout en respectant les longueurs de recouvrement et d’ancrage. La géométrie d’origine doit être régénérée avec des mortiers riches pour augmenter l’adhérence et la résistance mécanique de sections finales.
a. Mise en place des armatures complémentaires A cette étape des travaux, un contrôle du diamètre résiduel des armatures les plus fortement attaquées sera effectué (à l'aide d'un pied à coulisse par exemple). Les armatures supplémentaires de même nature seront mises en place, par scellement, ou des systèmes explicites de fixation (cheville, tiges collées), afin de restituer la section initiale, avec une tolérance de 5%, en tenant compte des longueurs d'ancrage et de recouvrement, et des armatures de couture. Dans le cas c de soudure, celle-ci devra être effectuée, selon les normes en vigueur, après que la soudabilité de l’acier ait été vérifiée.
figure: principe de remplacement d’un ferraillage endommagé
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b. Protection des armatures: La protection des armatures consiste à appliquer sur toute la surface de celles qui sont dégagées: un produit assurant une protection vis-à-vis vis de la corrosion. Ce traitement n’est réellement nécessaire que si, pour des raisons techniques, l’enrobage final ne peut pas avoir la valeur prévue dans les règlements, pour un environnement donné. Il est également fonction de la nature du produit de reconstitution du parement. On devra également s'assurer de la compatibilité avec les traitements ultérieurs (électriques notamment). Cette application doit suivre immédiatement le décapage, car l’oxydation des armatures risque de s’amorcer et de compromettre la bonne tenue de la réparation.
figure: bonne méthode d’application d’un revêtement anticorrosion sur des armatures de BA
ugmentation des Sections avec ou sans Armatures: 3. Augmentation a. Méthode Traditionnelle Il s’agit d’augmenter la section d’origine en béton à l’aide d’un coffrage de manière à envelopper l’élément existant. Le béton sera coulé dans ce coffrage. Il faut utiliser un micro-béton béton auto-nivelant auto et autocompactable pour remplir les interstices sans l’usage d’aiguilles vibrantes. La préparation du support est très importante, il est donc nécessaire de faire des décaissés dans le béton pour améliorer la transmission des efforts, s, de traiter les surfaces avec une peinture primaire de résine époxy. Ces décaissés seront remplis en béton avant le séchage des résines. S’il s’agit d’un renforcement avec armatures, il faudra mettre cette armature en place et réaliser le bétonnage par coulage coulage ou pompage. Le béton devra être traité avec des adjuvants pour éviter la vibration et le compactage. Les endroits les plus communs pour ce type de renfort sont les piliers soumis à compression (en plaçant des couronnes autour de l’élément à renforcer), renforcer), les éléments (poutres ou dalles) soumis à des moments fléchissants et à des efforts de cisaillement et la partie comprimée des dalles ou plaques.
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b. Projection du Béton La préparation est similaire à celle réalisée dans la méthode précédente, mais la mise en place du béton se fait par projection mécanique avec une lance de projection située au bout d’un tuyau qui transporte le mélange depuis une pompe. Il existe deux types de projection : voie sèche : transport de ciment et agrégats agrégats secs, addition d’eau à la sortie de la lance ; voie humide : transport par le tuyau du mélange avec de l’eau.
figure: voie sèche
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figure: voie humide
4. Utilisation de résines synthétiques : Les résines synthétiques sont souvent employées pour arrêter la corrosion, protéger les aciers et reconstituer le béton. Les plus utilisées et les plus stables sont les résines époxydes, livrées généralement sous forme de deux composants séparés (base + durcisseur). rcisseur). Elles sont utilisées : Dans le cas de ragréage, pour réaliser le mortier de ragréage ; Dans le cas de restructuration, pour constituer la couche d'accrochage du béton de restructuration, celui-ci celui pouvant alors être obtenu à partir d'un liant hydraulique.
5. Perte d’adhésion avec le substrat Dans le cas d’une réparation, l’interface béton vieuxv béton jeune est un critère de durabilité capital . Les phénomènes se déroulant à cette interface, sont complexes et dépendent d’un grand nombre de paramètres : caractéristiques du support, de la couche d’apport mais aussi de l’environnement climatique, climatiqu chimique ou humain . Comme aussi ils dépendent de la préparation et la rugosité de la surface .
figure: Modèle d’interface dans un système réparation
L’obtention d’une bonne adhérence est la condition déterminante pour la tenue d’une réparation durable. De façon pragmatique une bonne adhérence est celle qui assure un lien efficace, uniforme et durable entre le matériau de réparation et son support. suppo L’efficacité du lien réfère à sa capacité à unir les deux phases comme si elles n’étaient qu’une seule pièce monolithique . A cet égard, une baisse d’adhérence est le gage d’une mauvaise durabilité car elle pourrait à long terme conduire au décollement de la réparation , ce décollement qui est en effet, généralement 6
la conséquence de plusieurs causes de différents vieillissements comme le séchage, les cycles de mouillagemouillage séchage ou de gel – dégel, ou encore la fissuration propagée dans la zone zone inter faciale, cette zone entre deux bétons, qui ont des propriétés différentes, constitue souvent la zone la plus faible dans la structure .
6. Quelques exemples de réparation
figure : Réparation d'une dalle
figure : Réparation d'un poteau
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figure : Réparation d'un mur en béton armé
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IV. Techniques de Renforcement
1. Chemisage avec des sections de béton (Gainage): Le procédé classique dont l’efficacité a été largement vérifié par l’expérience, consiste à chemiser l’élément en augmentant sa section par mise en œuvre d’une épaisseur de béton sur tout le périmètre de l’élément primitif. L’utilisation d’un micro-béton, autocompactable, pour remplir les interstices sans mode de vibration, peut s’avérer essentielle. La préparation du support est très importante, il est donc nécessaire de faire des décaissés dans le béton pour améliorer la transmission des efforts, de traiter les surfaces avec une peinture primaire de résine époxy. S’il s’agit d’un renforcement avec armatures, il faudra mettre cette armature en place et réaliser le bétonnage par coulage ou pompage. Lorsqu’il n’est pas possible de faire un chemisage complet des éléments pour le cas des façades, il faut recourir à d’autre procédés : renforcement par plaques métalliques ou bien l’épaississement de l’élément en béton sur deux faces opposées Les éléments de renfort doivent êtres ancrés dans le béton primitif : soit par boulonnage pour le cas des platines métalliques, soit par ancrage pour le cas de béton additif.
figure: différents arrangements de chemisages des poteaux en BA le poteau existant et 2- la façon de chemisage
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figure: chemisage de poteau
figure : chemisage de poutre 10
Figure : Différents étapes de renforcement des poteaux au moyen d'une enveloppe en béton armé (chemisage).
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figure: renforcement d’une poutre par ajout de béton de d’armatures
renforcement de la face inférieure d’une dalle, sachant qu’il est aussi possible de renforcer la dalle en plaçant des armatures à la partie supérieure de celle-ci.
figure: renforcement en sous-face d’une dalle avec connecteurs scellés
2. Renforcement par gainage métallique : Ce type de renforcement est utilisé généralement pour les poteaux ; l’union de la platine à la structure peut se faire par : Collage, vissage, ou bien ancrage. Du point de vue transmission des efforts, la meilleure technique est celle du collage.
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figure: Différents étapes renforcement d'un poteau par gainage métallique Les matériaux utilisés : La colle: c'est une résine époxy choisie pour ses propriétés d'adhérence sur acier ainsi que sur le béton. Le film résiduel de la colle doit être de faible épaisseur et d'une rigidité suffisante pour transmettre intégralement par adhérence les efforts à la tôle. Cette rigidité étant réduite par une augmentation de température, des précautions spéciales doit être prises dans le cas de structures soumises à des températures élevées. La colle n’apporte pas de résistance mécanique, mais elle doit transmettre les efforts. La tôle : les tôles d'aciers sont généralement de qualité courante, leur épaisseur est limitée à 3mm de façon à leur permettre de suivre les courbure du support. 3. Renforcement par collage de plats métalliques: Il s’agit du type de renfort le plus utilisé pour les dalles, les poutres en béton et les piliers en compression. L’union de la platine à la structure peut se faire par collage, vissage, rivetage ou ancrage. 13
photo: renforcement par plat d'acier et colles
4. Le renforcement au moyen de profilés métalliques: L'association des profilés métalliques aux structures en béton armé permet d'augmenter la capacité portante de la structure. La réalisation ainsi d'une structure mixte acier-béton dont il faut assurer la compatibilité entre ces deux matériaux est indispensable et nécessaire. Cette compatibilité entre les deux matériaux est liée directement à la qualité de l'interface (acier-béton) pour bien transmettre les efforts internes. L'intérêt de cette méthode est la rapidité de réalisation in-situ, les pièces métalliques sont préfabriquées en atelier, et leur montage s'effectue à l'aide de cheville ou tiges ancrées. L'assemblage sur site des éléments décomposés en tronçons facilite ainsi leur transport et mise en place. L'inconvénient majeur de cette méthode de renforcement tient à la précision qui est requise lors du mesurage de la structure existante, si les éléments fournis se positionnent correctement au montage. Il recommandé d'envisagé des possibilité d'ajustement et de positionnement des pièces métalliques pré-forées vis-à-vis de forages dans le béton, lors du montage , contrairement aux construction métalliques nouvelles
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figure: Renforcement de poteaux au moyen de profilés métallique
a. Renforcement de résistance à l’effort tranchant ● Cornières + barres filetées ● Efficacité immédiate du système mise en traction des barres verticales (serrage des écrous) ● Intervention couplée « postcontrainte par étriers actifs + profils aciers »
figure: Renforcement d'une poutre à l’effort tranchant
5. Renforcement par précontrainte additionnelle Cette technique est particulièrement adaptée pour réparer des poutres dont la résistance à la flexion ou à l’effort tranchant est insuffisante par l’emploi d’étriers actifs. Cette méthode de renforcement bien que très efficace présente quelques difficultés de mise en œuvre . En effet, elle nécessite de dimensionner soigneusement des ancrages et de déterminer le chemin approprié des câbles. Ainsi, des forages à travers certaines parties de la structure existante sont nécessaires. Ces forages doivent être exécutés sans toucher aux différentes armatures 15
existantes. En fin, il faut prendre toutes les dispositions pour contrôler que la précontrainte additionnelle se répartisse dans la structure et surtout dans les zones fissurées. Les tracées des armatures de précontrainte contrainte additionnelle peuvent être rectilignes ou polygonaux: Le tracé rectiligne simple et facile à mettre en œuvre, améliore peu la résistance au cisaillement .
figure: Un tracé rectiligne d’une précontrainte
figure: Tracé polygonal d’une précontrainte
6. Adjonction de matériaux composites (Polymères Renforcés en Fibres) : Un matériau composite est l’assemblage de deux matériaux de nature différente, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont l’ensemble des performances est e supérieur à celui des composants pris séparément. éparément. Les matériaux composites sont composés de fibres noyées dans une matrice. Une fibre est constituée de plusieurs filaments, élémentaires doit le diamètre est de l'ordre de 5µm. La fibre a un comportement élastique linéaire jusqu’a rupture les lois de comportement sont de type ‘’élastique fragile’’. Le comportement mécanique des matériaux composite dépend du type de fibres et de type des matrices, qui doivent êtres compatibles entre eux. La matrice est le matériau atériau qui donne le monolithisme à l’ensemble, et permet d'assurer le collage des fibres entre elles et transférer les efforts extérieurs à celles-ci. celles De plus la matrice joue un rôle très important pour résister aux efforts tranchants Par ailleurs ailleur elle protège les fibres en les isolant de l’humidité de l’oxydation et des agents agressifs chimiques. Les avantages du renfort au moyen de matériaux composites offrent : - une légèreté 5 fois plus que l’acier. - une résistance 10 fois plus optimale que les platines. - une grande flexibilité avec une faible épaisseur. - une facilité de transport - un poids de l'ordre de 800gr le mètre carré (épaisseur d'environ 1mm) - une mise en place et un découpage à la forme désirée - une mise en œuvre aisée - adaptation aux supports - Non sensibilité à la corrosion et d'autres attaques chimiques - Meilleure résistance au feu et à la fatigue
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Tableau : Propriétés des matériaux composites de pointe
a. Renforcement de poutres Le renforcement de poutres peut se présenter de deux manières : Reprise des efforts de flexion Reprise des efforts tranchant
Différentes possibilités de placements des renforts sur une poutre
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figure: a) Renforcement en flexion
b) Renforcement en cisaillement
Photo : système «Sika Carboshear L» en place
Figure n° 49 : pose mixte : pultrudé et tissu en matériaux composites Une telle disposition assure également une bonne sécurité vis-à-vis des risques de délamination.
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b. Renforcement de dalles Le procédé de renforcement de dalle consiste à coller, à la surface des zones de béton tendues, des plaques ou des bandes de renfort.
Bandes de renforts en sous face d'une dalle
Bandes de renforts autour d'une trémie
c. Renforcement des poteaux Ce type de renforcement est obtenu par confinement des éléments en béton armé par des bandes de renfort. Lorsque le renfort est appliqué autour d’un poteau, sa résistance apparente en compression et sa ductilité sont améliorés. L’amélioration de la résistance en compression du béton apparait seulement après l’apparition de fissures et le début de la dilation. L’enveloppement de poteaux avec des renforts permet donc de reprendre des efforts de compression supplémentaires.
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figure: Type de disposition des renforts sur un poteau
d. Renforcement des murs en maçonneries: On peut améliorer la solidité et la ductilité des parois en maçonnerie des bâtiments existants en y appliquant des lamelles en fibres de carbone ou en acier.
Réhabilitation d’un mur en maçonnerie
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7. Renforcement d’une ossature en portique par des triangulations centrées Ajout de croix de contreventement contreventement métallique renforcement parasismique consiste à réaliser un contreventement extérieur d’une part vertical par la mise en place de profilés en croix qui sont fondés le long des façades longitudinales ● Simplification d’exécution: ● Mais flexion parasites résultant de ce décalage des plans ⇒assemblages pour reprendre ces flexions ⇒Vérifications des barres en flexion exion composées
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8. Addition d’un voile:
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photo: Addition de voile
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V. Renforcer une fondation : reprise en sous-œuvre (superficielle) La réparation et/ou le renforcement d’ouvrages de fondation par la reprise en sous-œuvre concernent, soit les ouvrages anciens, soit des ouvrages plus récents dont l’infrastructure se révèle déficiente ou inadaptée ou dont la destination change, apportant des charges nouvelles à l’ouvrage. Le principe de base consiste, soit à reporter le niveau de fondation à un niveau inférieur, où le terrain est de meilleure qualité, soit à augmenter la surface de la fondation au niveau, où elle a été initialement réalisée.
a. Augmentation de la rigidité de la semelle:
Figure : pas d’augmentation de la surface de la semelle Objectif : augmentation de la rigidité de la semelle et de la section du poteau (la surface au sol est suffisante vis-à-vis de la contrainte).
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b. Augmenter la surface pour réduire la contrainte sur le sol:
Figure : augmentation de la surface de la semelle avec surépaisseur. Objectif : augmenter la surface pour réduire la contrainte sur le sol, augmenter la rigidité et renforcer le ferraillage de la semelle.
Figure : renforcement de fondation à un niveau inférieur au niveau d’origine. Objectif : trouver la portance nécessaire par reprise en sous-œuvre.
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figure: fondations solidarisées par ajout d'un système de longrine
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