Renforcement Parasismique Des Ouvrages [PDF]

Zitiervorschau

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MARSEILLE LUMINY

RENFORCEMENT PARASISMIQUE DES OUVRAGES AVEC DES MATERIAUX COMPOSITES SOMMAIRE 1

INTRODUCTION

4

2

OBJECTIFS

4

3

METHODE

6

4

CONTEXTE

7

4.1

Pourquoi réaliser des travaux de renforcement de protection ?

7

4.2

Les critères de décision.

7

5

ASPECT ECONOMIQUE DU RENFORCEMENT PARASISMIQUE DES OUVRAGES8

5.1 Comment justifier financièrement les travaux parasismiques ? 5.1.1 Calcul du montant du aux dommages structuraux 5.1.2 Calcul du montant du aux pertes de matériels 5.1.3 Calcul du montant du aux pertes d'exploitation 5.1.4 Calcul du montant du aux pertes humaines

8 8 8 9 9

5.2 Financement 5.2.1 Ceux à mettre en place. 5.2.2 Ceux déjà en place

15 15 15

6

16

LES MATERIAUX COMPOSITES

6.1

Contexte

16

6.2

Définition d'un composite

16

6.3 Loi de comportement d'un composite 6.3.1 La loi des mélanges 6.3.2 Performances des composants : 6.3.3 Les phénomènes de rupture

18 18 20 21

6.4 Présentation des produits disponibles 6.4.1 Les tissus secs "WRAP" 6.4.2 Les tissus préimprégnés 6.4.3 Les grillages de type "GRID" 6.4.4 Les sections pultrudées

25 25 26 26 26

6.5 Performances des matériaux et des systèmes 6.5.1 Ductilité 6.5.2 Ténacité 6.5.3 Corrosion 6.5.4 Stabilité au feu et Résistance au feu

28 28 28 28 28

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6.5.5 6.5.6 6.5.7 6.5.8

Durabilité Pollution-Recyclage Avantages lors de la mise en œuvre Inconvénients lors de la mise en œuvre

28 29 29 29

6.6 Description des systèmes commercialisés en France 6.6.1 Les barres de précontrainte par prétension 6.6.2 Les lamelles pultrudées 6.6.3 Les tissus 6.6.4 Les grillages

29 29 30 34 38

7

39

COMMENT PROTEGER LES PERSONNES ?

7.1

Contexte

39

7.2

Réglementation française

39

7.3 Solutions individuelles disponibles 7.3.1 Le lit à baldaquin turc 7.3.2 La cage taiwanaise 7.3.3 L'armoire française 7.3.4 La capsule autrichienne 7.3.5 La cellule australienne 7.3.6 La coque anglaise

39 39 40 40 40 40 40

7.4 Solution individuelle ou collective : le refuge parasismique 7.4.1 Equipement individuel 7.4.2 Equipement collectif 7.4.3 Principe 7.4.4 Composition structurale 7.4.5 Méthode de dimensionnement 7.4.6 Mode de fonctionnement 7.4.7 Mise en oeuvre

41 41 41 43 44 48 48 49

8

49

COMMENT RENFORCER LES BATIMENTS ?

8.1 Réduction des charges sismiques 8.1.1 Remplacement des planchers

51 51

8.2 Augmentation des performances de l'ouvrage 8.2.1 Par précontrainte additionnelle 8.2.2 Par addition d'éléments de contreventement 8.2.3 Par réalisation d'ancrage à l'aide de barres circulaires ou de plats 8.2.4 Par chemisage de poteaux. 8.2.5 Par addition de matériaux collés sur poutres. 8.2.6 Par bandes de matériaux à coller sur des murs ou des dalles. 8.2.7 Par grillage métallique 8.2.8 Par collage de grillage en fibres synthétiques ou en verre

54 54 55 55 56 58 59 61 62

9

63

9.1

CONCLUSIONS A quels objectifs peuvent répondre les composites ?

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9.2

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Quelle fibre choisir entre le carbone, l'aramide ou le verre ?

64

10 PROPOSITIONS

64

10.1 Domaine de recherches techniques à promouvoir. 10.1.1 L'utilisation des tissus et des pultrudés 10.1.2 L'utilisation de fibres végétales

64 64 65

10.2

66

Bilan financier

11 ANNEXES

68

11.1 Les fibres métalliques 11.1.1 Généralités

68 68

11.2 Les formes des fibres métalliques 11.2.1 Les fibres d'acier tréfilé 11.2.2 Les fibres en fonte 11.2.3 Les formes des fibres organiques 11.2.4 Elément de base 11.2.5 Forme linéique 11.2.6 Forme surfacique 11.2.7 Les fibres courantes

68 68 69 69 69 70 70 71

11.3 Les fibres de verre 11.3.1 Différents types de fibres de verres filables vierges

74 74

11.4 Les fibres végétales 11.4.1 Les avantages et les inconvénients 11.4.2 Les différentes fibres

75 75 75

11.5 Les matrices organiques 11.5.1 Les résines thermodurcissables : 11.5.2 Les résines thermoplastiques :

75 76 76

11.6 Les matrices minérales 11.6.1 Les bétons à hautes performances : 11.6.2 Les bétons à ultra hautes performances 11.6.3 Les modes de mise en œuvre particulières du béton ordinaire

77 77 78 79

12 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

81

13 SITES INTERNET A VISITER

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1 INTRODUCTION Le nombre d'ouvrages existants ne pouvant pas résister aux contraintes engendrées par les séismes étant considérable, il est nécessaire de mettre en place des méthodes de renforcement fiables et économiquement supportables, adaptées à ces sollicitations dynamiques. Le renforcement peut paraître ambitieux car il sous-entend que le résultat est fiable, or étant donné le caractère souvent flou des hypothèses sur les caractéristiques mécaniques du bâti existant, il est préférable de raisonner sur des solutions permettant de réduire la vulnérabilité de l'ouvrage. L'utilisation des matériaux composites reste encore exceptionnelle en France dans le secteur BTP notamment à cause de problèmes juridiques de responsabilités et de freins financiers comme l'obligation de fournir des avis techniques. Ce frein au développement pénalise l'essor de ces techniques alors qu'elles sont couramment utilisées dans de nombreux pays tels qu'au Japon, aux USA, en Australie, en Grande Bretagne, en Suisse, en Italie et en Grèce. Le secteur BTP français a ainsi pris un retard considérable par rapport aux autres secteurs d'activité tels que l'aéronautique ou l'automobile qui valident le dimensionnement théorique numérique par des essais destructifs en collaboration avec un bureau de contrôle avant de lancer la fabrication. La réglementation en matière de calcul de dimensionnement est tellement lourde et compliquée que la rédaction de l'EUROCODE COMPOSITE va prendre du temps. Néanmoins un projet national va voir le jour afin de s'efforcer de résoudre un certain nombre de problèmes liés à cette situation en fédérant les acteurs concernés. La démarche de faire appel à ces techniques dans les constructions existantes face à des charges sismiques est développée dans ce mémoire.

2 OBJECTIFS Pour les ouvrages existants c'est à dire la majorité, et notamment ceux construits avant l'apparition des règles les plus modernes dites "PS 92" (édition 1995), le problème est à la fois complexe au niveau politique, économique, juridique et technique. Ce mémoire aborde une partie du problème économique et traite le problème technique. Au niveau économique, étant donné que le montant des travaux parasismiques est le critère généralement le plus important pour un maître d'ouvrage, ce mémoire présente une méthode de justification économique des travaux sur existants qui tient compte d'une valeur économique humaine officielle dans le calcul des pertes. Au niveau technique, ce mémoire vise à présenter les solutions à base de matériaux composites afin qu'ils participent plus étroitement à des utilisations dans le domaine de la BESACIER Guy

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réduction de vulnérabilité des ouvrages existants que ce soit au niveau de la réduction des charges sismiques, au niveau du renforcement des structures et dans le domaine de la protection parasismique.

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3 METHODE Cette étude est développée selon les étapes suivantes
Présentation du contexte économique.
Comment introduire le prix unitaire de la valeur économique humaine dans le calcul global des pertes financières pour convaincre de l'intérêt économique des travaux sur les ouvrages existants ?
Présentation des caractéristiques mécaniques des matériaux composites accessibles sur le marché.
Présentation des systèmes composites proposés actuellement au niveau national et international par les fournisseurs de produits et de systèmes.
Comment adapter les systèmes composites de renforcement classique aux problèmes sismiques ?
Conclusion par un récapitulatif des possibilités offertes par les composites en fonction des objectifs à atteindre et par une aide au choix des fibres.
Propositions d'axes de recherche afin d'améliorer l'efficacité des solutions et proposition économique en vue d'adopter les études financières intégrant les pertes économiques humaines.
Présentation en annexe des composants de base que sont les fibres et les matrices afin de donner un aperçu de ce qui est disponible actuellement sur le marché.

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4 CONTEXTE 4.1

Pourquoi réaliser des travaux de renforcement de protection ?

Les raisons qui peuvent pousser un maître d'ouvrage à lancer des travaux peuvent être multiples : - Se mettre en conformité avec la réglementation en vigueur pour bénéficier d'une assurance. - Mettre en place des dispositifs capables de préserver un patrimoine culturel ; dans le cadre des monuments historiques par exemple. - Chercher à atteindre un niveau de vulnérabilité moindre que celui actuel de son ouvrage afin de réduire au maximum les risques de pertes d'exploitation ; dans le cadre d'un centrale de communication par exemple. - Préserver les occupants en priorité quelque soit l'état de la construction après séisme ; dans le cadre d'un centre de recherche par exemple. Les raisons qui peuvent pousser un maître d'ouvrage à ne pas lancer des travaux peuvent également être multiples : - Coût des travaux impossible à financer. - Travaux posant un problème de gêne rédhibitoire pendant l'exploitation. - Coût des travaux supérieur à la reconstruction. 4.2

Les critères de décision.

La décision de renforcer devrait être éclairée par quatre aspects : - L'aspect de la perte humaine liée au nombre de victimes et à leur valeur économique. - L'aspect de la perte financière liée à la perte du matériel. - L'aspect de la perte financière liée au coût des dommages structuraux. - L'aspect du niveau d'endommagement ayant des conséquences sur les conditions d'exploitation. La méthode la plus efficace pour convaincre un maître d'ouvrage de la nécessité de renforcer serait de réaliser un scénario catastrophe prenant en compte ces quatre aspects avant travaux et de le comparer au scénario après renforcement. Bien souvent le problème économique malheureusement prime devant tous les autres problèmes simplement parce que la quantité d'ouvrages construits avant les règles PS, sans se soucier des risques sismiques, est tellement importante en France que le montant des travaux pour diminuer leur vulnérabilité sera donc considérable. Il devra donc s'étaler sur des décennies si d'autres priorités ne viennent pas s'intercaler. Deux stratégies peuvent être étudiées dans un projet sur ouvrage existant : 1°) La protection d'occupants ou de matériel particulièrement onéreux par des systèmes individuels ou collectifs qui ne vise qu'à préserver en priorité une cellule ciblée. 2°) Le renforcement de l'ouvrage qui vise une réduction importante de la vulnérabilité globale de l'ouvrage. Comme la conception pour un ouvrage neuf, la méthode de renforcement doit s'inspirer des principes et précautions à prendre notamment face à ces sollicitations dynamiques : BESACIER Guy

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- chercher à diminuer les charges sismiques. - chercher à obtenir une structure ayant une bonne capacité de stocker de l'énergie. - chercher à obtenir une structure ayant une bonne capacité de dissiper de l'énergie. En ce qui concerne les travaux : S'assurer que la mise en œuvre est conforme aux règles de l'art. La responsabilité des travaux doit être partagée et il ne peut être question de garantir un résultat.

5 ASPECT ECONOMIQUE DU RENFORCEMENT PARASISMIQUE DES OUVRAGES 5.1

Comment justifier financièrement les travaux parasismiques ?

Il est facile de calculer les pertes financières dues à la mise hors service du matériel et à sa perte d'exploitation, toutefois la perte humaine est difficile à chiffrer. En effet, l'évaluation du nombre de victimes peut se calculer en fonction du nombre d'occupants et du niveau de dommages. Par contre, sa conversion en terme financier est un pas difficile à franchir, bien que les assurances arrivent à chiffrer la vie humaine, il n'est pas encore très courant de réaliser des scénarios catastrophes qui fassent apparaître l'équivalent financier des pertes humaines ( morts et blessés). En conséquence quand il s'agit de comparer le montant des travaux à financer pour renforcer un bâtiment avec le budget dont on dispose sans tenir compte de ces pertes humaines, le montant est jugé toujours trop élevé car difficile à justifier ; ce qui bloque généralement les travaux. Afin d'établir une méthode de calcul des pertes économiques, je propose d'adopter les formules suivantes : le montant total des pertes (Mpt) serait théoriquement égal à la somme des pertes de dommages structurels(Mps) + les pertes du matériel (Mm) + les pertes d'exploitation (Mpe) + les pertes humaines (Mph).

Mpt = Mps + Mpm + Mpe + Mph Rappelons les formules suivantes issuent de l'étude de M. Christian THIBAULT du CETE de NICE pour l'étude du Central téléphonique de NICE : 5.1.1 Calcul du montant du aux dommages structuraux

Mps = P(I) * Ds(I) * Cs P(I) = aléa sismique régional pour une intensité I Ds(I) = fonction de dommages structuraux pour une intensité I Cs = cout de la construction (démolition, réparation, reconstruction) 5.1.2 Calcul du montant du aux pertes de matériels

Mpm = P(I) * Dm(I) * Cm P(I) = aléa sismique régional pour une intensité I Dm(I) = fonction de dommages matériels pour une intensité I Cm = coût du matériel (réparation, remplacement) BESACIER Guy

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5.1.3 Calcul du montant du aux pertes d'exploitation

Mps = P(I) * T(I) * Cs P(I) = aléa sismique régional pour une intensité I T(I) = durée d'interruption de l'activité pour une intensité I Ca = chiffre d'affaire journalier moyen 5.1.4 Calcul du montant du aux pertes humaines Deux études ont été réalisées pour évaluer la valeur économique de la vie humaine : 1°) Le calcul du " capital humain compensé" est basé sur la perte de production moyenne liée à un décès ou à une blessure. 2°) L'approche basée sur " la disposition à payer", étude réalisée à partir d'enquêtes cherchant à estimer la valeur que les individus attribuent à leur vie. La méthode que je propose est été basée sur la première approche, les hypothèses prises en compte pour les valeurs unitaires sont issues d'informations recueillies dans le domaine des victimes de la route. Lorsque c'est la productivité humaine qui est concernée, la mesure se fait sur la base du revenu du travail. Par exemple les effets sur la santé vont se traduire en heures de travail perdues, multipliées de leur taux de salaire horaire. Une telle méthode ne va pas sans soulever des questions d'ordre éthique lorsqu'il s'agit, par exemple, d'évaluer le coût de l'insécurité routière comme celui de l'insécurité face aux risques naturels et de prendre en compte les décès des personnes. Etablir ce calcul sur la base de la perte de production actualisée résultant d'un décès, suscite obligatoirement un débat qui ne peut être dépassé que lorsqu'on admet que même si la vie n'a pas de prix, il faut définir les dépenses que l'état peut affecter à la sécurité, qu'il ne pourra pas mettre ailleurs. On passe ainsi d'une notion de "valeur de la vie" à l'idée d'un consentement collectif à payer pour réduire les risques. C'est cette logique qui est suivie en France pour prendre en compte la sécurité dans l'évaluation des projets routiers : une valeur du prix de la vie humaine est fixée à partir de calculs fondés sur la méthode du "capital humain compensé", justifiée par la nécessité de la prise en compte de la sécurité dans les évaluations. Ce mode de calcul est retenu par défaut en arguant (paradoxalement) des difficultés pratiques et théoriques de mise en œuvre des méthodes économiques traditionnelles de révélation des préférences et de la concordance des résultats observés par ailleurs. Les valeurs moyennes retenues (1994) sont de 3,6 millions de francs pour une personne tuée, 370 000 francs pour un blessé grave, 200 000 pour un blessé moyen, 79 000 pour un blessé léger. (Cf. Commissariat Général du Plan, 1994, pp. 40-42.-Le prix de la vie humaine-Michel Le Net 6) C'est cette logique qui a été appliquée au risque sismique même si probablement un français a plus de chance de perdre la vie sur la route que lors d'un séisme, la valeur d'une vie est la même quelles que soient les circonstances du décès.

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Ce sont ces valeurs converties en Euros qui ont été retenues pour la classe 2 qui correspond arbitrairement au français standard et pour la classe 1 au français d'une classe élevée : Les valeurs de la classe 1 sont égales au double de ceux de la classe 2. Les valeurs de la classe 3 sont égales au tiers de celles de la classe 2. Ces paramètres pourraient être ajustés sachant que l'on pourrait avoir des informations plus précises sur l'identité d'un occupant pour un bâtiment donné (Ex : les occupants du centre de recherche IBM à LA GAUDE près de NICE sont connus et en majorité des Ingénieurs informaticiens) ce qui n'est pas le cas pour l'occupant d'un véhicule. Les blessures engendrées lors d'un accident de la route ne sont pas non plus similaires à celles engendrés lors d'un séisme néanmoins le résultat pourrait s'appliquer en terme de gravité, mais les trois niveaux de gravité ont malgré tout été conservés. Le calcul du montant du aux pertes humaines Mpa pourrait être basé sur la formule suivante :

Mph =

Σi Nmi . Vvi + Σjk

Nbjgk . Cbjgk

Dd (I, V) = Degré de dommages en fonction de l'intensité EMS ou du spectre d'accélération As, et de la typologie du bâtiment (type de structure et nature du matériau) I = degré d'intensité du séisme sur l'échelle EMS As = Accélération spectrale m/s2 Cvi = classe i d'un occupant en fonction de son revenu annuel La classe 1 correspond à un revenu annuel supérieur à 100 kE La classe 2 correspond à un revenu annuel compris entre 10 et 100 kE La classe 3 correspond à un revenu annuel inférieur à 10 kE Nmi = Nombre de morts de classe i en fonction du degré de dommages et du taux d'occupation Vvi = Valeur d'un occupant de classe i Nbjgk = Nombre de blessés de niveau g et de classe j en fonction du degré de dommages et du taux d'occupation. Cbjgk = Coût d'un blessé de classe j et de gravité g To = Le taux d'occupation est connu par une courbe en fonction de l'heure du jour, par type d'occupant et par classe de bâtiment. Rm = Répartition des victimes décédées est connue par type de bâtiment Rbg1 = Répartition des blessés graves est connue par type de bâtiment Rbg2 = Répartition des blessés moyens est connue par type de bâtiment Rbg3 = Répartition des blessés légers est connue par type de bâtiment La gravité d'un blessé possède trois niveaux g : • g1 = grave : hospitalisation >1 an et incapacité de travail > 50% • g2 = moyen : hospitalisation < 6 mois et incapacité de travail < 50% • g3 = léger : hospitalisation < 1 semaine et pas de séquelle

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Résultats des calculs sous forme de tableaux :

EXEMPLE 1 : CALCUL DU MONTANT DU AUX PERTES HUMAINES PAS DE TRAVAUX

BLESSES

MORTS

Classe d'ouvrage C Intensité I = IX Classe de Vulnérabilité (échelle EMS 1998) Vb = B Degré des dommages (dégâts très Dd = 4 importants) Classe Classe Classe Total 1 2 3 Surface (m2) 3000 3000 3000 Taux d'occupation 10% 10% 10% à 20 h Occupants 300 300 300 Taux par classe To 5% 80% 15% Quantité par classe 15 240 45 300 Répartition de 35% morts par classe Nm 6 Vv (kE) 1100 Nm.Vv 6600

35%

35%

85 550 46750

16 183 2933

Répartition de blessés graves par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

10%

10%

10%

2 112 224

25 56 1400

5 19 93

Répartition de blessés moyens par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

5%

5%

5%

1 60 60

13 30 390

3 10 30

Répartition de blessés légers par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

5%

5%

5%

1 24 24

13 12 156

3 4 12

Montant total

Montant cumulé (kE)

107 56283

56283

32 1717

58001

17 480

58481

17 192

58673

58 673 kE Tableau 1

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EXEMPLE 2 : CALCUL DU MONTANT DU AUX PERTES HUMAINES TRAVAUX DE RENFORCEMENT

MORTS

Classe d'ouvrage Intensité Classe de Vulnérabilité (échelle EMS 1998) Degré des dommages (dégâts sensibles) Classe Classe Classe 1 2 3 Surface (m2) 3000 3000 3000 Taux d'occupation à 10% 10% 10% 20 h Occupants 300 300 300 Taux par classe To 5% 80% 15% Quantité par classe 15 240 45 Répartition de 5% morts par classe Nm 1 Vv (kE) 1100 Nm.Vv 1100

5%

5%

13 550 7150

3 183 550

2%

2%

2%

1 112 112

5 56 280

1 19 18.6667

Répartition de blessés moyens par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

1%

1%

1%

1 60 60

3 30 90

1 10 10

Répartition de blessés légers par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

5%

5%

5%

1 24 24

13 12 156

3 4 12

BLESSES

Répartition de blessés graves par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

Montant total

C I = IX Vb = B Dd = 3 Total

Montant Cumulé (kE)

300

17 8800

8800

7 411

9211

5 160

9371

17 192

9563

9 563 kE Tableau 2

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EXEMPLE 3 : CALCUL DU MONTANT DU AUX PERTES HUMAINES TRAVAUX DE PROTECTION

MORTS

Classe d'ouvrage Intensité

C

I = IX Classe de Vulnérabilité (échelle EMS 1998) Vb = B Degré des dommages (dégâts très Dd = 4 importants) Classe Classe Classe Total 1 2 3 Surface (m2) 3000 3000 3000 Taux d'occupation 10% 10% 10% à 20 h Occupants 300 300 300 Taux par classe To 5% 80% 15% Quantité par classe 15 240 45 300 Répartition de 10% 10% 10% morts par classe Nm 2 25 5 32 Vv (kE) 1100 550 183 Nm.Vv 2200 13750 916.667 16867

BLESSES

Répartition de 7.5% blessés graves par classe Nbg 2 Cbg (kE) 112 Nb.Cbg 224

7.5%

16867

7.5%

19 4 56 19 1064 74.6667

Répartition de blessés moyens par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

2%

2%

2%

1 60 60

5 30 150

1 10 10

Répartition de blessés légers par classe Nbg Cbg (kE) Nb.Cbg

5%

5%

5%

1 24 24

13 12 156

3 4 12

Montant total

Montant cumulé (kE)

25 1363

18229

7 220

18449

17 192

18641

18641 kE Tableau 3

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En reprenant la formule générale : Mpt = Mps + Mpm + Mpe + Mph Le prix à payer en cas de sinistre serait :

PAS DE TRAVAUX

Démarche Sans tenir compte du coût En tenant compte du coût des victimes des victimes

Pertes structuraux Mps Pertes matériels Mpm Pertes d'exploitation Mpe Pertes humaines Mph (Cf tableau1)

3 300 000

3 300 000

1 000 000

1 000 000

1 000 000

1 000 000

0

58 673 000

Bilan Total Mpt

5 300 000

63 973 000

(Euros) Différence (Euros)

58 673 000

Montant maxi actuellement admis pour financer les travaux : 10% x 3 000 000 E = 300 000 Euros L'impact financier en cas de travaux après séisme serait :

Perte humaine Travaux à engager Perte d'exploitation due aux travaux Perte d'exploitation après secousse Réparation Bilan Total (Euros)

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TRAVAUX de RENFORCEMENT (Cf tableau 2)

TRAVAUX de PROTECTION (Cf tableau 3)

9 563 000

18 641 000

500 000 17% 100 000

300 000 10% 10 000

100 000

1 000 000

500 000

3 300 000

10 763 000

23 251 000

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Récapitulatif des coûts : Pertes dues aux matériels

Pertes totales sans travaux

4 300 000

63 973 000

0

0

Dépenses (E) Economie (E)

Pertes totales avec travaux de renforcement 10 763 000

Pertes totales avec travaux de protection 23 251 000

53 210 000 83%

40 722 000 64%

Ce résultat établi sur un mode de raisonnement à partir d'un cas fictif est destiné à faire apparaître que la prise en compte de la vie humaine change le bilan financier et pourrait donc modifier la décision du maître d'ouvrage sur sa politique de prévention. Cette méthode tient compte du quantum doloris des blessés mais ne tient pas compte du précium doloris lié au traumatisme psychologique des rescapés.

5.2

Financement

5.2.1 Ceux à mettre en place. Pour inciter un maître d'ouvrage individuel à prendre des mesures de prévention, il resterait à mettre en place une démarche individuelle qui pourrait se développer par une incitation à réaliser des travaux grâce à des aides comme par exemple : •

une exonération de la franchise d'assurance.

•

une réduction de la prime d'assurance d'assurance.

• •

une prime à l'amélioration de la sécurité de l'habitat calquée sur la démarche de l'ANAH (Agence pour l'amélioration du confort de l'habitat). une déduction d'impôts sur les revenus.

5.2.2 Ceux déjà en place Dans les départements Antillais, des primes à la construction sont accordées à ceux qui font appel à des professionnels ayant suivi une formation parasismique. Cette initiative devrait inciter les maîtres d'œuvre à suivre une formation parasismique et les maîtres d'ouvrages à faire appel aux eux.

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6 LES MATERIAUX COMPOSITES 6.1

Contexte

Nous utilisons déjà dans le secteur BTP des matériaux composites tels que le bois (qui est un composite naturel) depuis des millénaires et le béton armé depuis environ un siècle et demi. L'évolution de la qualité du béton permet d'atteindre actuellement de très hautes performances dont la résistance à la rupture qui est de l'ordre de 300 Mpa soit 10 fois plus qu'un béton standard. Des essais sont aussi en cours pour remplacer les armatures en barres métalliques par des fibres métalliques, des fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Depuis quelques décennies l'industrie chimique et textile propose aussi de nouveaux matériaux très performants comme les résines époxydiques renforcées avec du verre, du carbone ou de l'aramide Alors que les matériaux composites sont présents dans les domaines très variés comme l'aéronautique, l'aérospatiale, l'automobile, les loisirs, le nautisme, l'énergie éolienne, on ne les trouve que dans les corps d'état secondaires du BTP. Il reste donc à franchir un pas dans le domaine structurel lié au gros œuvre. 6.2

Définition d'un composite

C'est un matériau artificiel constitué d'au moins deux éléments : le renfort et la matrice. Les caractéristiques mécaniques d'un composite sont supérieures à celle des éléments pris séparément. Sous sa forme la plus classique il comporte un renfort fibreux enrobé d'une matrice, c'est donc un matériau anisotrope et hétérogène. Le renfort est constitué généralement de fibres sous différentes formes et longueurs. Elles peuvent être courtes ou longues dans le cas des tissus. La matrice enrobe les fibres et les protège. Elle lie les fibres entre-elles et leur transfert les charges mécaniques. Les progrès permanents de la chimie organique, métallique et minérale permettent de créer de nouvelles matrices et de nouvelles fibres.

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Combinaisons possibles : MATRICE ORGANIQUE - Résine thermodurcissable - Résine thermoplastique

MATRICE ORGANIQUE - Résine thermodurcissable

Fibres métalliques - bore - aluminium - acier - cuivre Fibres organiques - polyester - polyamide - aramide - carbone - polypropylène - PVA - polyacetal Fibres végétales - bambou - chanvre - jute - lin - sisal - coton - coco Fibres minérales - verre

MATRICE MINERALE - Béton

Fibres minérales - verre

MATRICE MINERALE - Béton

Fibres organiques - polyester - polyamide - aramide - carbone - polypropylène - PVA - Polyacétal Fibres végétales - bambou - bois - chanvre - jute - lin Fibres Métalliques - acier - inox - fonte - bore

MATRICE ORGANIQUE - Résine thermodurcissable - Résine thermoplastique

MATRICE ORGANIQUE - Résine thermodurcissable

MATRICE MINERALE - Céramique - Béton - Chaux - Terre crue - Terre cuite MATRICE MINERALE - Céramique - Béton - Chaux

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6.3

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Loi de comportement d'un composite

La théorie de l'homogénéisation périodique a permis de trouver le matériau fictif homogène équivalent à un matériau réel hétérogène. Cette technique permet de calculer une structure complexe rapidement en intégrant les phénomènes locaux. Elle passe par trois étapes (Cf croquis 1) : I. Représentation qui définit le volume élémentaire II. Homogénéisation qui permet de passer du volume élémentaire représentatif au matériau homogène fictif III. Localisation qui permet de définir le lien entre champs macroscopiques dans le matériau homogène et les champs microscopiques du volume élémentaire

Matériau réel

Matériau idéalisé

Matériau homogène équivalent

Croquis 1 6.3.1 La loi des mélanges Les performances des matériaux composites sont proportionnelles au pourcentage des composants. Dans le sens longitudinal X, les déformations sont identiques εxc = εxf = εxm les contraintes sont différentes σxc = εxc Exc σxf = εxf Exf σxm = εxm Exm

Croquis 2 Le module d'élasticité d'un pli unidirectionnel (Cf croquis 2) est égal à la somme des modules pondéré par le pourcentage volumique Ec = Ef Vf + Em Vm Où Vf et Vm sont exprimés en % BESACIER Guy

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Exemple : un tissu unidirectionnel en fibre de carbone Ef = 200 Gpa dosé à 60% =>Vf = 0.6 associé à une résine Em = 4 Gpa dosée à 40% => Vm = 0.4 donnerait un composite dont le module serait : Ec = (200 x 0.6) + (4 x 0.4) = 120 Gpa Cette loi est valable pour des composites fabriqués suivant les méthodes suivantes : pultrusion, centrifugation, SMC, BMC, ZMC, moulage en continu, PM, CRTM,FRTM, RTM, par contre lorsqu'il s'agit d'un renfort par collage d'un tissu sec "WRAP", les performances sont nettement inférieures. La résistance du renfort peut être 4 fois inférieure à celle de la fibre seule. Dans le cas où la déformation de la fibre à la rupture serait inférieure à celle de la matrice :

εfu < εmu

La contrainte de rupture est calculée selon la formule suivante

σ σfu

σcu= σfu Vf + σm(εfu) .(1-vf) σmu σm(εfu)

εfu

εmu

ε

Diagramme 1

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Dans le cas où la déformation de la fibre à la rupture serait supérieure à celle de la matrice

εfu > εmu La contrainte de rupture est calculée selon la formule suivante σ σfu

σf (εmu) σcu= σf (εmu)Vf + σmu.(1-vf) σmu

εmu

εfu

ε

Diagramme 2

6.3.2 Performances des composants : Les tableaux comparatifs (Cf Tableau 1 & 2) donnent les caractéristiques mécaniques des principales fibres et matrices utilisées en génie civil. En ce qui concerne les fibres : Densité Module

Contrainte de rupture en traction

Allongemen t à la rupture

Ef (Gpa)

FIBRES

1.7-1.9

200-240

σfu (Mpa) 2600-4500

εfu (%) 1.3 - 1.8

1.8-1.9

350-450

2000-2800

0.4-0.8

1.6-1.7

38-40

700-1000

2.1-2.5

1.9-2.1

400-800

3000-3500

0.4-0.8

2.6

74-75

2400 - 3600

3.4 - 4.8

Fibre de verre Alcali-résistant

2.27

70-76

1800 - 3500

2.0-3.0

Fibre d'aramide haut module

1.45

200

2800-3000

1.5-2.3

Fibre d'aramide bas module

1.39

60-77

3000-3110

4.0-4.8

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Fibre de carbone à haute résistance (PAN) Fibre de carbone à haut module (PAN) Fibre de carbone ordinaire (BRAI) Fibre de carbone à hautes performances (BRAI) Fibre de verre E

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Polyacétal

1.45

Polyester

20

1730

6-9

12-15

200-300

21

PVA

6 Tableau 4

En ce qui concerne les matrices : Ce sont les matrices époxydiques qui sont les plus utilisées. MATRICE

Module

Contrainte de rupture en traction

Allongement

Ef (Gpa)

σmu (Mpa)

εmu (%)

50 à 80

2à5

Polyester rigide Phénoliques Epoxy

2 1à5

Polyuréthanne Epoxy-uréthane

5 à 20

2à5

1à5

10 à 250

2

50 à 100

Tableau 5 6.3.3 Les phénomènes de rupture La résistance mécanique d'un matériau correspond à une dégradation irréversible qui est différente pour un matériau fragile ou ductile. Dans le cas des matériaux composites, la limite du domaine élastique est liée à l'apparition de micro-fissurations ; Différents modes de rupture peuvent se produire. Le cas d'un unidirectionnel est illustré par les croquis de 3 à 6.

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•

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rupture de fibres σfu

C'est la fibre qui cède en premier par rupture en traction.

Rupture de la fibre

Croquis 3

•

microrupture de la matrice transverse σmu

C'est la matrice qui cède en premier par rupture en traction.

Rupture transversale

Croquis 4

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•

microrupture de la matrice longitudinale τmu

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C'est un déchirement de la matrice parallèle aux fibres.

Rupture longitudinale

Croquis 5

•

décohésion fibre-matrice τm=τd

C'est l'adhérence entre la fibre et la matrice qui est en cause, il s'agit d'une rupture en cisaillement

Rupture par décohésion fibre-matrice

Croquis 6 Il est donc important de bien connaître ces modes de rupture lors du dimensionnement par un choix judicieux de l'orientation des fibres par rapport aux sollicitations. BESACIER Guy

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Dans le cas de composites, les critères interactifs ont été recherchés en étendant aux matériaux orthotropes le critère de Von Mises. Des critères de rupture ont donc été déterminés à partir de théories différentes : • Le critère de Hill • Le critère de Hoffman • Le critère de Tsai-Hill • Le critère de Tsai-Wu Comparaison des performances des composites à matrice époxy : Matériau Fibre dens Contrainte Module Contrainte Module Cisail. Coefficient rupture long rupture compress poisson traction compress σcu ν τt % Mpa GPa MPa GPa MPa K49 Verre E Carb T300 K49 Verre E

60 60 60 50 50

1.38 2.05 1.55 1.33 1.9

1380 1100 1380 550 390

72 39 131 32 25

276 586 1100 172 393

72 39 131 32 26

Comparaison des performances avec d'autres matériaux : Produit Prix Densit Elong Contrainte Module E/t é . de rupture longitudin en traction al (Gpa) % (Mpa) Epoxy+carbon 1.74 0.4 1775 147 e Epoxy+aramid 1.25 2.4 3000 130 e Polyester+verr 2 1000 42 e Acier 1 000 7.8 400 210 Aramide HS 4 000 1.39 4.6 3500 74 Aramide HM 4 000 1.45 2.4 2900 111 Carbone HS 1 500 1.8 1.53450-4900 230-240 2.1 Carbone HM 1 500 1.8 0.45- 2940-4600 392-640 1.2 Verre E 2.6 4.7 3500 74 Bois 200 0.4 50 10 Béton HP 300 2.9 200 65 Béton 20 2.5 30 30 Standard

50 83 96 30 40

0.34 0.3 0.25

Contraint Module e spécifiqu spécifiqu e e 1020 84 2400

104

500

21

51 2518 2040 2272

27 53 76 127

2555

355

1346 20 70 12

25 22 12

Le verre E et l'aramide HS ont les mêmes performances mécaniques mais les modules du verre sont plus bas. La fibre de carbone est la plus performante pour des charges statiques mais pour une utilisation en renforcement parasismique, les valeurs élevées de déformation à la rupture de l'aramide permettent d'obtenir une ductilité plus importante.

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6.4

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Présentation des produits disponibles

6.4.1 Les tissus secs "WRAP" Définition d'un tissu unidirectionnel ou multiaxial : Il est constitué (Cf croquis 7) : •

d'une chaîne : ensemble de fils parallèles suivant la longueur du tissu

•

d'une trame : ensemble de fils plus fins s'entrecroisants avec les fils de chaîne

De ce fait il a un caractère orthotrope. Trame (welf)

Chaîne (warp)

Croquis 7 Les différents types de tissu (ruban) suivant le mode d'entrecroisement (armure) sont : • Toile ou taffetas : chaîne et trame sont identiques (Plain) • Satin : armure 4 ou 8 • Sergé : armure 3, 4 ou 5 • Tissu haut module : deux nappes de chaînes perpendiculaires • Tissu à armature unidirectionnel : trame très fine • Tissus multiaxiaux : 3D ou 4D pour des performances importantes

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Le tissage peut se faire avec une seule fibre ou un mélange de deux fibres dont les hybrides les plus courants sont : Performances Haute résistance aux charges dynamiques Haute résistance en compression et traction Aramide / Carbone Haute rigidité Faible densité Cout élevé Haute performance aux charges dynamiques Verre / Aramide Haute résistance en traction Faible cout Haute résistance en traction et en compression Verre / Carbone Haute rigidité Faible cout

Conclusion : Pour une utilisation en renforcement parasismique, l'hybride "Verre / Aramide" sera le plus efficace et le plus économique. 6.4.2 Les tissus préimprégnés Ce sont des tissus de fort grammage (> 400 gr/m2 ) qui sont imprégnés en usine et activés sur chantier. 6.4.3 Les grillages de type "GRID" Ce sont des tissus imitant le treillis soudé ou le grillage métallique.(Cf croquis 8) Les mailles peuvent varier de 10 mm à 50 mm suivant l'utilisation. Le grillage peut être enduit d'une résine dans laquelle un sable de silice est incorporé pour améliorer l'adhérence.

Croquis 8 6.4.4 Les sections pultrudées Elles se présentent sous différentes formes en fonction du besoin : (Cf figure 1) Il n'y a pas de limitation de longueur sauf pour le transport. BESACIER Guy

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Figure 1

Les principaux avantages des pultrudés sont réalisés à la fois au niveau de la conception, de la mise en œuvre et de la maintenance. Beaucoup d'autres avantages existent dans l'utilisation des matériaux pultrudés, en comparaison avec les matériaux conventionnels tels que l'acier, l'aluminium, le bois et certaines résines. Une analyse globale des coûts peut signifier un bénéfice final. La première étape consiste à additionner tous les coûts du projet en incluant : fourniture, quincaillerie et toutes sujétions de fabrication. La seconde étape consiste à additionner toutes les économies pouvant être réalisées par le concepteur et l'utilisateur final en comparaison avec l'utilisation des matériaux conventionnels. Ces coûts sont issus d'une maintenance réduite, d'une mise en œuvre simplifiée, d'un transport moindre. La comparaison des différents coûts permettra de mettre en évidence que l'économie faite avec des matériaux pultrudés est loin d'être négligeable (de l'ordre de 20%). Le domaine actuellement le plus demandeur est sans doute celui des plates-formes "offshore" et des ponts où les critères de contrainte spécifique et de maintenance sont les plus importants. D'autre part le marché des ouvrages d'art est aussi un secteur prometteur, une enquête a révélé en 1999, qu'aux USA les coûts de réparation de 575 000 ouvrages en béton s'élèveraient à 1 milliard de dollars ; depuis les projets utilisant des poutres à base de fibres de carbone et de verre se multiplient.

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6.5

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Performances des matériaux et des systèmes

6.5.1 Ductilité En ce qui concerne le renforcement de poteaux, poutres et solives métalliques dans un immeuble à Salt Lake City, le procédé associant à la fois du tissu de verre et de carbone a permis de multiplier par huit et jusqu'à dix, la ductilité des poteaux d'après les tests effectués sur site et en laboratoire. C'est la fibre aramide qui permet d'obtenir le meilleur résultat grâce à un allongement à rupture pouvant aller jusqu'à 5%. 6.5.2 Ténacité La ténacité est un caractère important pour une efficacité du renforcement. En mécanique, la ténacité représente la capacité du matériau à supporter la présence de défauts. Le renforcement le plus tenace est celui à base d'un tissu multiaxial. Les fibres synthétiques possèdent une grande ténacité qui apporte des avantages pour le renforcement d'éléments comprimés. Chez les fabricants de tissus la ténacité est la charge de traction mesurée par Tex, l'unité sera donc exprimée en CentiNewton par Tex : CN/Tex 6.5.3 Corrosion Les résines résistent biens aux agressions chimiques notamment au sel de déverglaçage Les câbles en acier à haut module peuvent être remplacés par des câbles en composite de fibres de carbone. Le câble toronné en composite de fibres de carbone "CFCC" fabriqué par Tokyo Rope Mjg. Ltd. est utilisé pour le haubanage d'un tablier de pont au Danemark a été sélectionné non seulement pour ses remarquables performances mécaniques mais surtout pour son excellente résistance à la corrosion. Le béton armé avec des grillages composites ou des barres pultrudées a un avenir prometteur dans les ouvrages marins ou des ouvrages en contact avec des agressions chimiques (stations d'épurations, structures d'industrie chimique, château d'eau etc.) 6.5.4 Stabilité au feu et Résistance au feu Les résines époxy, polyester ou polyuréthanne n'ayant pas de résistance élevée au feu, il est nécessaire de protéger les renforcements par une couche de plâtre ou tout autre produit de protection au feu de type flocage. La seule résine qui résiste au feu jusqu'à 700° est phénolique, elle est utilisée en particulier sur les plates-formes offshore. 6.5.5 Durabilité Bien que nous n'ayons pas beaucoup de recul dans le temps, nous pouvons dire que ces systèmes vieillissent bien. Leur stabilité est grande et si les précautions sont prises pour les protéger des rayons ultraviolets du soleil. Les premiers FRP ( Fiber-Reinforced Polymer) ont été utilisés en 1940 pour des applications militaires et aérospatiales puis automobile (Chevrolet Corvette). Une autre référence est celle de la construction depuis 1950 de la carrosserie de l'automobile Polonaise dont la structure était en polyester renforcée avec du coton. BESACIER Guy

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Il faut toutefois vérifier la tenue aux ultraviolets des composants pour des emplois extérieurs ou prévoir des protections anti-UV. 6.5.6 Pollution-Recyclage Les résines thermodurcissables posent un gros problème de recyclage par rapport aux résines thermoplastiques, c'est leur point faible à l'heure où les directives européennes sont de plus en plus exigeantes Il y a déjà eu un effort vis à vis de l'emploi des solvants qui provoquent des maladies graves et des désordres parfois irréversibles comme la perte de goût et d'odeur à force d'être en contact avec des solvants puissants comme l'acétone ou le mexyl. L'acétone en contact avec la peau pénètre dans le corps et se dissout dans le sang en provoquant des intoxications. En ce qui concerne le recyclage des tissus ou des éléments pultrudés, la réponse n'est pas encore claire et des études sont en cours pour trouver des solutions. 6.5.7 Avantages lors de la mise en œuvre Le premier avantage qui domine sur tous les autres est le faible poids des produits. Il en résulte une vitesse d'exécution incomparable et une diminution des risques de blessures lors des manipulations rencontrées antérieurement avec les plaques en acier. La première conséquence est une diminution du prix global du renforcement par rapport à d'autres techniques comme le plat collé métallique ou le béton projeté par voie humide ou voie sèche. Le second avantage est lié au caractère sec et sans poussière du processus qui évite une protection lourde des équipements présents sur chantier lors des opérations de collage. 6.5.8 Inconvénients lors de la mise en œuvre Les risques se situent surtout au contact avec les mains pour les fibres et au niveau des voies respiratoires pour les solvants. Les fibres étant tellement fines qu'il faut prendre des précautions particulières lors des manipulations en s'équipant de gants résistants à la perforation de ces micro-aiguilles invisibles à l'œil nu. L'emploi de gants et de masques à filtre adapté est obligatoire, il faut veiller à changer le filtre fréquemment suivant les recommandations du fabriquant lors de la mise en œuvre. Le collage oblige de travailler à des températures supérieures à 10° C et inférieures à 40° C néanmoins des solutions peuvent être adoptées pour chauffer les éléments à base de carbone qui sont conducteurs lors de la mise en œuvre. Important : L'opération de collage des lamelles lors de température élévée doit etre réalisée après s'etre assuré que la colle est encore poisseuse faute de quoi le phénomène de délaminage intervient prématuremment par réduction de la surface collée.

6.6

Description des systèmes commercialisés en France

6.6.1 Les barres de précontrainte par prétension 6.6.1.1 La solution "ARAPREE" de AKZO NOBEL BESACIER Guy

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ARAPEE veut dire ARAmid PREstressed Element : des éléments destinés à réaliser de la précontrainte. Elle permet de remplacer des tirants en acier par des barres circulaires de 2.5 à 10 mm de diamètre, plates de 2 mm2 à 55 mm2 ou triangulaires de 55 à 22 mm2 Elles sont insensibles à la corrosion et aux effets électromagnétiques. Elles sont réalisées à partir de milliers de fibres d'aramide TWARON (entre 2000 et 50 000) imprégnées de résine époxy ou vinylester et enrobées de sable pour améliorer l'adhérence

Propriétés mécaniques Contrainte de rupture en traction Module en traction Allongement à la rupture Densité Résistance en compression Transversale Résistance en cisaillement Coefficient de Poisson

Unités MPa GPa % MPa MPa

Nominal 3000 125 2.4 1.25 150 2.0 0.38

6.6.2 Les lamelles pultrudées Les lamelles sont des éléments constitués de fibres unidirectionnelles (verre ou carbone) noyées dans une matrice époxydique ou polyester.(Cf Photo 1) Elles permettent de remplacer les plaques d'acier utilisées en "plats collés" selon la méthode de l'HERMITE ou BRESSON depuis 1970. Par exemple une plaque de 10 mm en acier ayant un poids de 78 kg/m2 pourra être remplacée par une lamelle de 1.4 mm en carbone ayant un poids 2.52 kg/m2 soit environ 30 fois moins, ce qui évite des manipulations coûteuses et dangereuses. Elles peuvent être disponibles en très grande longueur grâce à un conditionnement par rouleau jusqu'à 250 mètres, ce qui évite les recouvrements engendrant des zones de faiblesse.

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Photo 1 Caractères généraux : • Faible épaisseur (1 à 2 mm) • Largeur variant de 50 à 150 mm • Très hautes résistances mécaniques en traction • Excellent comportement à la fatigue • Insensible à la corrosion • Facile à transporter (rouleau de 10 à 250 mètres) • Facile à manipuler (poids propre de l'ordre de 100 grammes au mètre linéaire) • Facile à découper

6.6.2.1 La solution "CARBODUR" de SIKA Elle est développée par la société SIKA et a fait l'objet d'une enquête SOCOTEC. Elle ne couvre en France que le renforcement d'ouvrages en béton armé ou précontraint sous chargement statique. Application : entre 5° et 40° Supports possibles : Acier, bois massif ou LC ou Agglo, TFC lui-même, pierre, béton sec, béton humide (non ruisselant) Adhérence mini : 2MPa

Description des composants : Résine de collage BESACIER Guy

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Type époxydique bicomposante de la société SIKA SIKADUR 30 COLLE Durcisseur A Dosage en poids Dosage en volume Densité 1.32 -1.36

Base B

1.00 - 1.04

Consommation de colle en gramme / mètre linéaire : Lamelle Aire de la section (m/m2) Largeur (m/m) Consommation (gr/ml)

S 512 60 50 350

S 812 96 80 550

S 1012 120 100 700

S 1512 180 150 1000

Propriétés mécaniques de la colle :

Contrainte de rupture en traction Module en traction Allongement à la rupture Contrainte de rupture en compression Allongement à la rupture Dureté shore

Unités Mpa Gpa % Mpa %

Nominal 30 12.8 2.4 55 4.7 >70

Composite sous forme de lamelle CARBODUR Association volumétrique de 70 % de fibres et de 30% de résine. Caractéristiques mécaniques de la section des lamelles

Epaisseur moyenne Rupture en traction Module traction Allongement à la rupture Densité

mm Mpa Mpa %

Série H 1.4 1450 300 1.5

Série S 1.2 2800 165 1.7 1.5

6.6.2.2 La solution "CFK" de VSL Elle est développée par la société SRS IPSO mis en œuvre par VSL et S&P . Application : entre 5° et 30° Supports possibles : Acier, bois massif ou LC ou Agglo, CFK lui-même, pierre, béton sec, béton humide (non ruisselant) Adhérence mini : 1.5MPa Description des composants : Résine de collage : Type époxydique bicomposante de la société SRS SRS P 204 Dosage en poids BESACIER Guy

Durcisseur A 20

Base B 80 - 32 -

Mélange 100 11/03/08

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Densité 1.32 -1.36 Dureté (shoreA) Viscosité (brookfield poises ) Résistance en compression (Mpa) Résistance en flexion (Mpa) Module en traction (GPA)

1.00 - 1.04

1.25 77 6000 80 35 10

Consommation en gramme / mètre linéaire Largeur de lamelle (m/m) 200/2000 Consommation de résine (gr/ml) Effort de traction à 8% d'élongation (MN) Section mm2 Largeur de lamelle (m/m) 150/2000 Consommation de résine(gr) Effort de traction à 8% d'élongation (MN) Section mm2

50

80

10

120

350

550

700

1000

112

179

224

269

70

112

140

168

10

50

80

100

350 112

550 179

700 224

1000 269

14

70

112

140

Propriétés mécaniques de la colle Propriétés mécaniques

Unités

200/2000

150/2000

Contrainte de rupture en traction Module en traction Allongement à la rupture Coefficient d'équivalence béton Contrainte limite ELS Allongement limite ELU Contrainte limite ELU

MPa Gpa %

2500 205 1.3 15 500 0.65 1332

2300 164 1.4 12 400 0.70 1148

MPa % MPa

Composite époxy-carbone sous forme de lamelle Association volumétrique de 60% de tissu et de 40% de résine. Caractéristiques mécaniques de la section des lamelles Epaisseur moyenne Rupture en traction Module traction Allongement à la rupture

Unité Mpa Mpa %

1.2 mm 2800 165 1.7

Toutes ces solutions sont intéressantes lorsque le déficit de section d'armature est de l'ordre de quelques cm2. Par contre, elles atteinnent leurs limites rapidement, auquel cas BESACIER Guy

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les solutions par béton projeté ou renfort métallique par profilé deviennent incontournables. C'est en général le critère à l'état limite de service qui domine et donc la contrainte de glissement à l'interface béton-composite qui doit être supérieure à 1.5 Mpa. 6.6.3 Les tissus Il faut noter que le confinement du béton par du tissu augmente considérablement sa ductilité ce qui devrait permettre une utilisation importante de ces produits en renforcement parasismique de structures en béton armé en particulier les poteaux. Caractères généraux : • Faible épaisseur (0.5 mm) • Largeur variant de 300 à 600 mm (Cf photo 2) • Hautes résistances mécaniques en traction • Excellent comportement à la fatigue • Insensible à la corrosion • Facile à transporter (rouleau de 50 mètres) • Facile à manipuler (poids propre de l'ordre de 100 grammes au mètre linéaire) • Facile à découper (ciseau) • Facile à appliquer même sur support irrégulier • Permet de confiner des éléments courbes à faible rayon

Photo 2 Au-delà d'un certain grammage (400 g/m2), le tissu devra être imprégné mécaniquement

Pour un renforcement à l'effort tranchant ou au moment de torsion, les tissus peuvent être disposés verticalement sur les joues de poutres soit de façon discontinue parallèlement aux cadres ou inclinés à 45 °, soit de façon continue. BESACIER Guy

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6.6.3.1 La solution "TFC" de FREYSSINET Elle est développée par la société TORAY et mise en œuvre par FREYSSINET. Elle a fait l'objet d'un avis technique du CSTB. La première application a été réalisée en 1996 pour la réparation d'un pont fissuré en béton préfabriqué précontraint sur l'autoroute A10. Supports possibles : Acier, bois massif ou LC ou Agglo, TFC lui-même, pierre, béton sec, béton humide (non ruisselant) Adhérence mini : 2 MPa Résistance mini du béton en compression : 20 Mpa

Description des composants : Résine Type époxydique bicomposante de la société ATOFINDLEY Durcisseur XEP 3935a Base XEP 2919B Dosage en poids 100 40 Dosage en volume 2 1 Densité 1.32 -1.36 1.00 - 1.04 Consommation: 1200g/m2 pour un tissu de 800g/m2 Prop mécaniques Unités Nominal Contrainte de rupture en traction Mpa 29.3 Module en traction Gpa 2.3 Allongement à la rupture % 2.4 Contrainte de rupture en Mpa 56 compression Module en compression Gpa 2.0 Allongement à la rupture % 4.7

Fibres Fabriquées à partir des fibres carbones TORAY : Torayca T 700SC 12/24K 50C Prop. mécaniques Unités Maxi Mini Nominal Contrainte de rupture Mpa 5000 4510 4900 en traction Module en traction Gpa 240 221 230 Allongement à la % 1.8 2.1 rupture Masse linéique 12K G/1000m 824 776 800 Masse linéique 24K g/1000m 1700 1600 1650 Densité g/cm3 1.84 1.76 1.8 BESACIER Guy

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Tissu Type à 90° dans la chaîne pour 70% de fibres perpen diculaires à la trame pour 30% de fibres. Le tissage est un satin de 8. Composite TFC Association de 65% de tissu et de 35% de résine. Caractéristiques mécaniques de la section : Epaisseur moyenne Unité 0.43 mm Rupture en traction Mpa 1400 Module traction Mpa 95/105 Rupture d'un 1 cm de chaîne DaN 600 Rupture d'un 1 cm de trame DaN 250 Allongement à la rupture % 1.3 La loi de comportement du TFC est de type fragile, comme la déformation à la rupture de la fibre est inférieure à celle de la résine, c'est la chaîne qui cède en premier. (Cf Diag 3)

Diagramme 3 6.6.3.2 La solution WRAP de SIKA Elle a déjà été utilisée en renforcement des structures courbes comme des cheminées, des réservoirs, des silos, des voûtes etc. Exemple de renforcement d'un poteau à la torsion avec des bandes de SIKA WRAP HEX 230 C en 60 cm de largeur . (Cf Photo 3)

Photo 3 BESACIER Guy

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L'alliance entre HEXCEL et SIKA a permis de mettre sur le marché une gamme complète de renforcement à base de tissus techniques de verre et de carbone pour compléter la gamme CARBODUR SIKA WRAP HEX

Résistance Mpa

Module Gpa

430 G

2250

70

Masse surfacique g/cm2 430

100G

2250

70

913

230 C

3500

230

225

103 C

3500

230

610

Tissus de verre Tissus de carbone

Le tableau ci-dessous permet de comparer les valeurs du tissu avec celles du composite. Il faut remarquer que la résistance du composite chute de 80% et le module de chute de 75% Tissu à base de WRAP 230C Résistance en traction MPa Module d'élasticité GPa Allongement à la rupture %

3 500 230 1.5

composite WRAP 230C / Résine SIKADUR 330 750 55 1.15

La solution SIKA WARP HEX a été mise en œuvre en 2000 aux USA au niveau du renforcement parasismique de poteaux courts afin de compenser la manque d'armatures transversales. Cette solution est adoptée aux USA, en Grèce, en Turquie mais pas encore en France faute de réglementation. Les poteaux des tribunes du stade américain Horseshoe construit il y a 75 ans à Colombus en OHIO ne comportait pas de cadres en partie inférieure. L'entrepreneur IC Construction a choisi cette solution pour les critères suivants : • Légèreté des matériaux • Rapidité de mise en œuvre • Possibilité de superposer plusieurs couches • Finesse du renforcement • Anticorrosion 6.6.3.3

La solution WRAP de Exchem

EXCHEM a mis sur le marché une gamme complète de renforcement à base de tissus techniques de verre, de carbone et d'aramide

Largeur Masse surfacique BESACIER Guy

mm Gr/m2

Type C Carbone 150 &300 300

Type E verre 150&300 432 - 37 -

Type G carbone 400 300

Type AR aramide 150&300 240 11/03/08

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Densité Epaisseur Mm Module GPa Contrainte en Mpa traction Allongement à % rupture

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1.8 0.167 230 4900

2.6 0.167 73 3450

1.8 0.167 230 4300

1.45 0.167 100 2900

2

4.5

1.8

2.9

L'aramide ne présente pas un allongement important ni une résistance importante, le meilleur compromis serait un tissu mixte verre E - aramide AR.

6.6.3.4 La solution WRAP de VSL Elle est à base de tissu bidirectionnel en fibre de verre collé à la résine polyuréthanne "PUR". Supports possibles : • Béton armé • Maçonnerie de brique • Maçonnerie de parpaing béton • Bois • Acier Avantages Le tissu de verre est économiquement la solution la plus économique par rapport aux autres matériaux ( carbone ou aramide ) L'orientation des fibres suivant deux directions permet une grande capacité à se déformer et ainsi garantie la répartition des fissures dans la structure. Cette solution est intéressante par exemple pour des poteaux circulaires car elle permet de confiner le béton et d'éviter des ruptures en cisaillement comme c'est souvent le cas des poteaux courts. 6.6.4 Les grillages Les utilisations possibles sont : • en renforcement de maçonnerie au niveau de joint ou des enduits • en renforcement de plancher 6.6.4.1 La solution "ARAGRID" de AKZO NOBEL TEIJIN La solution hollandaise est à base de la fabrication de la fibre aramide TWARON Il s'agit d'un grillage dont les mailles sont petites (de 10 à 20 mm)

Effort de traction Allongement ultime Module élastique Taille de la maille BESACIER Guy

Unités kN/m % Gpa mm

ARAGRID 7005 Chaine 120 4.4 45 10 - 38 -

Trame 80 4.4 45 15 11/03/08

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Masse surfacique

g/m2

350

350

6.6.4.2 La solution " MeC-Grid" de CLARK SCHWEBEL Les solutions américaines sont à base de fibre carbone, verre ou PVA. Les mailles sont plus importantes (de 10 à 60 mm)

7 COMMENT PROTEGER LES PERSONNES ? 7.1 Contexte Beaucoup de bâtiments anciens destinés au public - écoles, bâtiments administratifs, structures hospitalières, stations de transport, etc.…- sont considérés comme incapables de résister à une sollicitation sismique dans les zones soumises à ce risque. Pour beaucoup d'entre eux, la solution d'un renforcement des structures est jugée inadaptée ou d'un coût trop important, entraînant la nécessité de l'abandon à terme du bâtiment et sa reconstruction à neuf. La solution pourrait passer par l'étude d'une protection directe des occupants à l'endroit où la probabilité qu'ils se trouvent lors de la secousse est la plus grande. Cette stratégie pourrait s'appliquer aussi à la protection individuelle d'un matériel cher comme par exemple une installation IRM (image par résonnace magnétique) ou d'une œuvre d'art précieuse. Lorsque le coût de renforcement global d'un bâtiment est jugé trop élevé, une variante à envisager vis à vis des séismes serait d'aménager des espaces, capables de résister à l'effondrement de la structure sur elle-même.

7.2

Réglementation française

Le cas des écoles francaises : Une circulaire (copie en Annexes) a été envoyée aux chefs d'établissement scolaire français pour les informer qu'ils sont désormais responsables de la sécurité des enfants vis à vis des risques majeurs. Ils doivent en conséquence prévoir un lieu de confinement lors d'éventuelles alertes. Cette action est d'actualité car lors du dernier séisme italien à Molise, la secousse a provoqué l'effondrement d'une école entraînant la mort de 19 enfants. Démarche administrative qui est déclenchée: Le chef de l'établissement scolaire demande alors au maire de déterminer cette zone de confinement, et le maire mobilise ses services techniques pour lancer une consultation sur les solutions à trouver. ( Annexe copie du compte rendu du Conseil d'Ecole de la maternelle ANDRE CHANIER à ANTONY) 7.3

Solutions individuelles disponibles

7.3.1 Le lit à baldaquin turc Cette solution a été développée pour protéger les personnes pendant leur sommeil, il s'agit d'une ossature et d'un plafond en structure métallique entourant le lit qui pourrait résister à l'effondrement de la dalle. BESACIER Guy

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L'équipement prévoit des moyens de survie en attendant les secours comprenant sous le matelas un coffre contenant de quoi attendre les secours et communiquer. 7.3.2 La cage taiwanaise Elle a été inventée par Jan FENG-PING en 1991. Elle est cubique et se compose de trois parties métalliques : la base en plats maillés, la partie intermédiaire réalisée à partir de barreaux espacés de 20 cm environ et la partie supérieure couvrante en tôle. Sa capacité est faible : 3 ou 4 personnes maxi. 7.3.3 L'armoire française C'est une variante du système taiwanais plus facile d'accès et plus confortable. C'est un dispositif en forme de cage fermée rectangulaire avec une porte d'accès pouvant abriter 4 personnes. Il pèse environ 500 kg en acier. Il est muni d'éclairage, d'une sirène, d'une balise de repérage d'un moyen repiratoire, de bouches daération, d'un stock de nourriture. Il est réalisé à partir d'une ossature en tubes rectangulaires d'acier habillés par des panneaux. Une version en matériaux composites plus légère est à l'étude (CF croquis 9).

Croquis 9

7.3.4 La capsule autrichienne Elle a été inventée par MOHE Ramesh en 2000. Il s'agit d'un bloc de forme octogonale réalisé en panneaux sandwich métalliques de 10 cm d'épaisseur environ rempli par du béton. Suivant le modèle, 4 ou 8 personnes peuvent y prendre place debout. 7.3.5 La cellule australienne C'est une variante de la précédente invention de MOHE Ramesh datant de 2002 en forme circulaire pouvant abriter entre 3 personnes assises. 7.3.6 La coque anglaise Elle a été inventée par Peter JAMES en 2001. Elle a la forme d'une voute composée à partir de blocs en KEVLAR rempli de béton qui sont assemblés par des connecteurs. Ce dispositif est plutot destiné à une protection dynamique de type choc ou explosion. BESACIER Guy

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7.4

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Solution individuelle ou collective : le refuge parasismique

7.4.1 Equipement individuel Cette solution est destinée à la fois aux ouvrages privés tels qu'une maison individuelle ou une HLM et aux ouvrages recevant du public ( écoles, cinémas etc.)

Figure 2 Pour les maisons d'habitation, les espaces à privilégier seront les chambres. Pour des groupes scolaires, la salle de classe ainsi que la cantine pourront etre équipées en priorité. (Cf figure 2 & 3)

Figure 3 7.4.2 Equipement collectif Ce système peut équiper une ou plusieurs pièces d'un immeuble auquel cas il aurait un autre rôle indirect de renforcement par contreventement en d'évitant l'effondrement global du bâti. (Cf croquis 10 & 11)

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Croquis 10 Mode de ruine par coup de fouet aboutissant à un "mille-feuilles" d'un immeuble dont les planchers ne sont pas suffisamment solidaires des murs (Cf croquis 10). Les oscillations successives entraînent la chute des planchers et des murs. Mode de ruine d'un immeuble équipé avec les refuges parasismiques empilés les uns au dessus des autres (Cf croquis 11)

Croquis 11 Les étages ne s'effondrent pas, les poteaux reprennent la descente de charge verticale. La solution la plus efficace consiste à superposer les systèmes les uns au-dessus des autres, les occupants ne sont pas écrasés par les planchers ou les murs. Un risque d'etre écrasé subsiste pour les personnes se trouvant à proximité extérieure qui peuvent recevoir des pans de mur. Mode de ruine d'un immeuble de type poteaux-poutres reposant sur un sol mou : C'est l'effondrement des étages supérieurs qui intervient en premier (Cf croquis 12)

Croquis 12 Même immeuble équipé avec des refuges en rive : La disposition en rive serait à privilégier dans le cas d'un immeuble à plusieurs travées et permettrait de conserver l'intégrité du bati.(Cf croquis 13) BESACIER Guy

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Croquis 13 Exemple d'immeuble R+3 réduit à un étage lors du séisme de Boumerdès le 21 juin 2003 (Cf Photo 4)

Photo 4 Le cisaillement des étages inférieurs a provoqué un effondrement de 3 niveaux sur quatre. L'installation multiple du refuge parasismique à des emplacements clefs dans le bâti, notamment en rive et dans les angles pourrait éviter l'effondrement total d'un bâtiment comme cela se produit souvent pour les ossatures poteau-poutre avec un remplissage en maçonnerie. Ils joueraient alors un rôle de soutien des planchers qui empêcherait le phénomène de mille feuilles de se produire. 7.4.3 Principe Le principe du refuge parasismique consiste à installer à l'intérieur des pièces occupées, une structure capable de résister à l'effondrement du bâtiment, qu'il y ait un seul ou plusieurs étages, de telle sorte que les personnes présentes à l'intérieur de la pièce ainsi équipée ne soient ni ensevelies ni écrasées. Cette solution protègerait localement les occupants sans les obliger à fuir en panique.

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7.4.4 Composition structurale  Structure principale : UNE OSSATURE TRIDIMENSIONNELLE (Cf croquis 14)

Croquis 14 Une ossature de barres encastrées de préférence entre elles (éventuellement articulées) formant un cadre contreventé dans les trois directions. Les poutres encastrées permettent d'augmenter le degré d'hyperstaticité du système, de réduire sa souplesse donc de le rendre plus efficace. Les barres sont soit à réaliser sur mesure, soit existantes pouvant être détournées de leur fonction initiale telles que : - Les échafaudages tubulaires. - Les systèmes appelés "structures tridimensionnelles" conçues pour réaliser des couvertures de grande portée notamment celles exploitant les nœuds sphériques comme par exemple le système ORTZ ou le système MERO.

Nature des matériaux composants le système de barres : Les matériaux susceptibles de répondre à la problématique de la reprise de charge sismique en cas d'effondrement du bâti sont : •

Les métaux comme l'acier ou l'aluminium en profilés industriels sous forme de poutrelles ou de tubes carrés, rectangulaires ou cylindriques.

•

Les matériaux composites pultrudés de même forme que le profilés métalliques à base :

-

d'un renfort en fibres synthétiques comme par exemple le carbone, l'aramide, le PVA ou de fibres de verre d'une matrice en résine thermodurcissable (polyester, époxy..) ou thermoplastiques.

-

L'avantage des matériaux composites par rapport à l'acier réside dans leurs performances mécaniques dues aux excellents rapports contrainte de rupture sur masse volumique qui permettent de réduire les sections et donc le poids de l'ossature. Ce faible poids des éléments facilite la mise en œuvre, le transport et l'assemblage . BESACIER Guy

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Il ne va pas pénaliser l'ouvrage en accentuant la charge sismique contrairement au béton par exemple. •

Le bambou qui est une herbe donc facile à se procurer aux Antilles, mais qui doit subir un traitement par rapport aux attaques d'insectes xylophages afin de conserver ses qualités mécaniques dans le temps.

• Le bois sous forme de poutres en bois massif, lamellé-collé ou mixte bois-composite. Il a l'avantage d'être plus facile à assembler que le bambou par des éléments métalliques mais l'encastrement des éléments entre eux est difficile à réaliser. •

Le béton à très hautes performances, armé, précontraint ou confiné.  Structure secondaire : PLAQUES

Les solutions à base de plaques solidaires des poutres occultant le maillage afin d'éviter le passage de blocs risquant d'écraser les occupants à l'intérieur. La structure doit pouvoir résister à l'effondrement du plafond et des murs, quelle que soit leur nature. Etant donné les dimensions importantes des barres constituant l'ossature (entre 1 m et 3 m), il pourra être nécessaire de compléter le dispositif par des éléments dans le cas où les planchers ou les murs seraient de nature à de désintégrer lors des sollicitations comme c'est souvent le cas des maçonneries et des planchers anciens constitués de solives et voûtains. Plusieurs solutions pourraient être envisagées pour les planchers hauts :
un traitement par-dessus • Renforcement en surface du plancher par le collage d'un grillage composite afin de conserver son intégrité. Il pourra être utilisé des lamelles (métalliques ou composite) de très faible épaisseur (quelques millimètres) • Dans le cas où les risques seraient très élevés de voir le plancher se désintégrer, la structure pourra être complétée par un treillis au sol ce qui nécessitera de créer un fauxplancher pour couvrir les poutres. (Cf Croquis 15)

Croquis 15
un traitement par-dessous • Renforcement en sous face du plancher par la fixation d'un grillage métallique ou le collage d'un grillage composite afin de conserver une intégrité du plafond. BESACIER Guy

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Un traitement associé à l'ossature indépendante de la pièce En disposant un habillage de l'ossature à l'aide de plaques minces solidaires des poutres ( Cf croquis 16) , afin de bloquer les morceaux susceptibles de passer à travers le maillage. Ces plaques pourront être de natures différentes suivant les charge à reprendre : • béton armé avec une armature soit métallique soit en composite. • plâtre armé • composite (sandwich traditionnel, tissu tridimensionnel injecté) • métallique (acier, zinc, aluminium, laiton …) • bois (contreplaqué, panneau de particules…)

Croquis 16 •

ASSEMBLAGES

L'assemblage des éléments entre eux doit être simple et rapide Il pourra être : • soit démontable pour une réutilisation (déménagement, protection provisoire avant le renforcement) • soit définitif (soudure des éléments métalliques, collage pour le bois ou les composites)

Exemple démontable pour les tubes circulaires pultrudés

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Croquis 17 La structure étant tridimensionnelle, c'est un assemblage de barres réalisé grâce à des nœuds de type "sphère" dans lesquelles des tiges métalliques filetées sont vissées, l'autre extrémité de la tige est vissée dans un insert collé en atelier au tube. Cette solution offre l'avantage d'un montage ultra rapide, sec et réglable. (Cf croquis 17) Les appuis sur la structure existante • Si le système ne nécessite pas d'éléments au sol, La structure repose uniquement sur le plancher, elle est fixée grâce à des platines scellées mécaniquement par chevillage dans le cas ou le plancher est résistant et homogène.(Cf croquis18)

Croquis 18 • Si le système nécessite des éléments au sol, Il comportera des éléments qui devront être recouverts par un faux plancher comme il a été signalé précédemment.(CF croquis 19)

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Croquis 19 7.4.5 Méthode de dimensionnement Les critères de dimensionnement Pour les poutres : les critères à prendre en compte lors de la vérification au dimensionnement sont la résistance à la rupture en flexion et en cisaillement ainsi que la stabilité au flambement. L'intérêt d'encastrer les poutres entre elles, est de diviser par deux leur longueur de flambement par rapport à des systèmes articulés.

Pour les plaques d'habillage : le critère de résistance à la rupture est suffisant. Les cas de charges à prendre en compte dans les hypothèses de calcul : • Sur les parois La charge verticale apportée par la descente de charge La pression exercée par le poids propre du mur pondéré par un coefficient proportionnel à l'accélération horizontale de calcul. •

Sur les plaques Cas d'un ouvrage de plain-pied La charge des éléments de plancher et de la couverture pondérée par un coefficient dynamique qui est fonction de l'accélération verticale de calcul. Cas d'un ouvrage à étages La charge des étages au-dessus de chaque système Les sections des poutres seront donc plus importantes au rez de chaussée qu'au dernier étage.

Les combinaisons de cas de charge Elles seront établies avec des coefficients définis dans l'EUROCODE 2. 7.4.6 Mode de fonctionnement

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Du point de vue mécanique, le refuge devra être très rigide et très résistant ; Il laissera le bâtiment osciller librement pour une faible secousse. Il devra être construit à l'intérieur du volume à protéger avec des écarts tout autour correspondant à l'amplitude des oscillations maximales prévisibles dans le domaine élastique. Il n'entrera en fonction (Cf croquis20) que pour de fortes sollicitations entraînant des dommages importants à éviter tel qu'un effondrement.

Faibles oscillations (domaine élastique)

Fortes oscillations (domaine postélastique)

Croquis 20 L'espace horizontal "e" entre le refuge et les parois sera de l'ordre de 2 à 5 cm suivant la composition des parois, il pourra être plus faible en vertical entre le plafond et les éléments du refuge car généralement les accélérations verticales sont nettement inférieures aux accélérations horizontales. 7.4.7

Mise en oeuvre

Le concept est similaire à celui des arceaux de sécurité dans les automobiles, il sera conçu sur mesure et pourra s'adapter à n'importe quelle géométrie existante. L'avantage principal de ce type d'opération est à la fois de réduire la durée des travaux et de ne pas perturber l'exploitation. Un tel dispositif pourra être installé de façon provisoire ou définitive. Suivant la typologie de la construction, les phases d'installation seront les suivantes :
Phase 1 : Installation des plaques de répartition ou du renforcement des parois du local.
Phase 2 : Installation de l'ossature du refuge.
Phase 3 : Installation de l'habillage interne du refuge pour redonner un aspect neutre ou cacher la structure suivant l'avis de l'architecte.

8 COMMENT RENFORCER LES BATIMENTS ? Le diagnostic aura déterminé les zones critiques risquant d'engendrer des dommages graves mettant en péril la vie des occupants ou en danger les équipements. BESACIER Guy

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La mission de renforcement consiste donc à corriger des défauts de comportement risquant d'engendrer des effondrements de parois verticales ou de planchers sur les occupants et les équipements. Il s'agit avant tout de réduire la vulnérabilité donc de limiter les risques : • de cisaillement des éléments porteurs verticaux aboutissant à l'effondrement type "mille feuilles". • de torsion de l'ensemble du bâti. • de résonance avec le sol. Le choix d'un renforcement va dépendre du diagnostic réalisé en amont et de la stratégie adoptée par la suite. Les priorités seront celles établies dans le cadre d'une stratégie visant à conférer au bâtiment le niveau de performance souhaité. Il est par exemple plus important de chercher à liaisonner les planchers aux murs plutot que de renforcer un balcon en porte à faux. Donc une première approche permettra d'évaluer l'incidence du parti architectural, du parti constructif et du mode de contreventement et d'en déduire un mode de fonctionnement probable. Dans le cadre des ouvrages existants, les informations nécessaires pour évaluer leurs caractéristiques géométriques et mécaniques sont en effet en général difficile à cerner ; il en résulte une modélisation floue qui peut avoir des conséquences importantes sur l'évaluation du comportement dynamique. L'intervention ou les interventions pourront concerner : • Le sol (traitement de stabilisation en cas de risque de liquéfaction). • Les fondations, ce qui en général coûte assez cher (Isolateurs, reprise en sous œuvre). • La structure proprement dite (modification des performances : de la rigidité, de la résistance, de la ductilité, de la position du centre de torsion, de la répartition des masses, du comportement modal etc. • Les structures voisines (modification du joint) • Les sorties de secours souvent vulnérables Les solutions apportées par les composites s'inscrivent au niveau de la structure dans une stratégie d'augmentation des performances de l'ouvrages en terme de : • Conservation de l'intégrité du bâti • Augmentation de la rigidité • Augmentation de la capacité à stocker l'énergie • Augmentation de la ductilité d'ensemble • Augmentation de l'endurance • Réduction des risques de torsion • Amélioration du contreventement Deux stratégies pourront être développées suivant le résultat du diagnostic : 1°) la réduction des charges sismiques BESACIER Guy

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2°) l'augmentation des performances de l'ouvrage 8.1

Réduction des charges sismiques

8.1.1 Remplacement des planchers  Par des systèmes collaborants acier-béton UHP :

Croquis 21 Une application parasismique consisterait à couler ces bétons UHP (résistance de l'ordre de 200 MPa en compression) sur un bac acier nervuré ou un pultrudé réduisant ainsi les épaisseurs donc la masse.  Par des profilés pultrudés en composites : Les solutions actuellement développée sont destinées à des tabliers de pont mais il pourrait s'opérer un transfert de technologie vers les planchers d'immeuble. Le système "ASSET" (Advanced Structural Systems for Tomorrow Infrastructure) est basé sur l'assemblage de modules pultrudés (Cf croquis 22) formant le tablier reposant sur les poutres principales isostatiques. Les épaisseurs des ames sont de 7.5 mm et de 15 mm en membrure.

Croquis 22 Il est actuellement utilisée en tablier de pont (Cf photo 3) pouvant supporter des charges de circulation de 30 tonnes pour une portée de 12 mètres Le poids du tablier passe ainsi de 260 kN en béton à 120 KN .

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Photo 3 Un autre procédé, le "DuraSpan" de la société américaine Martin Marietta Composites a été optimisé à partir d'un composite verre-polyester dont les performances sont les suivantes :

Tableau 1 L'orientation des fibres dans chaque partie d'élément a été choisie afin de répondre aux contraintes appliquées à chaque zone de l'élément. Les caractéristiques mécaniques ont été calculées en fonction de ces orientations. Elles sont sont différentes suivant les zones du profilé : membrure supérieure et inférieure, âme.

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Tableau 2 Ce tableau (Cf tableau 2) illustre la complexité des calculs par le nombre de paramètres à prendre en compte lors du dimensionnement. BESACIER Guy

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Il s'agit donc de fabriquer un matériau sur mesure afin d'optimiser la matière ce qui est le but de la résistance des matériaux. Comparaison Béton armé - Composite Pour des critères d'élasticité, la réduction de la masse entre un élément composite et un élément béton serait de l'ordre de 2 ce qui correspond au rapport du module spécifique entre le composite et le béton armé ; pour des cirières de résistance il serait de 40 (le rapport de contrainte spécifique entre le composite et le béton armé ) Comparaison Acier - Composite Pour des critères d'élasticité, le gain de masse entre un élément composite et un élément acier serait de l'ordre de l'ordre de 1.5 ce qui correspond au rapport du module spécifique entre le composite et l'acier ; pour des cirières de résistance il serait de 10 (le rapport de contrainte spécifique entre le composite et l'acier )

Ces techniques pourraient être utilisées en plancher de grande portée grâce à une rigidité importante pour un poids propre réduit : solution favorable à la réduction des charges sismiques.

8.2

Augmentation des performances de l'ouvrage

8.2.1 Par précontrainte additionnelle Cette technique permet d'améliorer la capacité à conserver l'intégrité lorsque les parois verticales risquent de se séparer des planchers ou pour éviter que les murs ne s'effondrent. Elle est particulièrement adaptée aux ouvrages en maçonnerie.

Croquis 23

L'utilisation de câbles toronnés en fibres de verre, carbone ou aramide se développe. Il est à prévoir que cette technologie va devenir courante (Cf croquis 23).

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Le tirant permet de bloquer les parois verticales afin d'éviter un effondrement des planchers. Il sera associé à un feuillard et retenu par une croix ou une platine à son extrémité. 8.2.2 Par addition d'éléments de contreventement Des éléments pultrudés peuvent facilement etre contreventement (Cf Photo 4).

disposés

pour

participer

au

Photo 4 8.2.3 Par réalisation d'ancrage à l'aide de barres circulaires ou de plats Cette technique permet, elle aussi, d'améliorer la liaison entre les planchers et les murs. Les éléments sont utilisés comme connecteurs entre des planchers et des murs en maçonnerie en particulier au niveau d'abouts de poutres en bois par un scellement au mortier époxy. Que ce soit des barres ou des plats, ils doivent être équipés de tête d'ancrage à partir de collets métalliques filetés et collés à l'embout de la barre afin de réaliser le serrage par l'écrou sur la plaque de répartition.(Cf croquis 24).

Détail de la tète d'ancrage pour une barre composite :

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Croquis 24 8.2.4 Par chemisage de poteaux.  A l'aide de tissu ( fibre de verre, carbone, aramide) Cette technique à base de tissu unidirectionnel ou bidirectionnel collé (éventuellement associé à des lamelles) permet de confiner le béton, l'élément ainsi renforcé voit ses performances augmenter vis-à-vis du cisaillement mais aussi en compression, en flexion pure ou composée et en torsion(Cf croquis 25)

Croquis 25 La ductilité est aussi nettement augmentée raison pour laquelle son utilisation est courante en renforcement parasismique notamment avec la fibre de verre, de carbone et maintenant en aramide. Plusieurs couches peuvent se superposer afin de reprendre les efforts calculés. Le calcul doit vérifier les efforts de cisaillement pour prendre en compte les risques de délaminage entre couches. L'ordre de superposition des couches est important en fonction de l'orientation des fibres. Des essais avec du carbone ont démontré que le gain de charge atteint facilement 30% avec une seule couche de tissu de 220g/m2 associé à une lamelle par face de 1,2 mm d'épaisseur. Le confinement du béton augmente la ductilité à l'élément renforcé : le béton réduit en poudre en phase plastique est emprisonné et le flambement des aciers se produit quand le tissu cède.  A l'aide de coque préfabriquée (verre-polyester ou verre-époxy) BESACIER Guy

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Cette autre technique consiste à employer des éléments préfabriqués (Cf photo 5)

Photo 5

Ces coques seront assemblés sur site par recouvrement. (Cf photo 6 & 7)

Photo 6

Photo 7

L'avantage principal est une vitesse d'exécution importante et une qualité accrue due à la préfabrication en atelier.

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L'espace entre l'élément existant et la coque sera injectée par du coulis à base de liant hydraulique afin de permettre une bonne transmission des charges. Les fibres sont alors orientées radialement pour un confinement efficace. 8.2.5 Par addition de matériaux collés sur poutres. Les solutions disponibles se trouvent sous deux formes : lamelle ou tissu  Lamelle pultrudée Les lamelles sont des éléments constitués de fibres unidirectionnelles (renfort en verre ou en carbone) noyées dans une matrice époxydique. Mode d'application des lamelles : • Préparation du support par sablage ou décapage au disque diamant • Application d'une couche de colle sur le support • Nettoyage de la lamelle avec un chiffon blanc et du solvant • Application d'une couche de colle sur la lamelle • Pose de la lamelle • Marouflage de la lamelle à l'aide d'un rouleau  Bande de tissu La bande est constituée de tissu unidirectionnel, 0°-90° ou multiaxial qui peut se présenter dans un état sec ou préimprégné si le grammage est important (>400). Mode d'application des bandes de tissu : • Préparation du support par sablage ou décapage au disque diamant • Application d'une couche de colle sur le support • Application de la bande • Marouflage de la lamelle à l'aide d'un rouleau • Répartition de la résine à l'aide d'un pinceau Inspiré du procédé l'Hermite, ce type de renforcement de structures par collage d'un pli composite vise à compléter la structure d'un ouvrage là où ses parties tendues sont insuffisamment dimensionnées ou en passe de le devenir… (Cf Croquis 26) Une poutre chargée, posée sur deux appuis, a sa partie supérieure comprimée et sa partie inférieure tendue. Le principe du béton armé est alors de placer judicieusement des aciers, dans les parties tendues. En cas de surcharge ou s'il l'armature n'est pas suffisante ou si les barres ne sont pas à leur place, la poutre subit une déformation telle que la structure n'est plus conforme aux exigences réglementaires.

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Croquis 26 Le renfort peut aussi se situer au niveau où les efforts tranchants sont importants c'est à dire près des appuis. Il sera disposé, soit de façon discontinue verticalement par bandes parallèles aux cadres ou obliques , soit de façon continue (Cf croquis 27)

Croquis 27 Après renforcement, on relève d'une part un accroissement important de la capacité portante et d'autre part une réduction des déformations et de la fissuration car le tissu collé confine très bien le béton comme nous l'avons vu précédemment.

8.2.6 Par bandes de matériaux à coller sur des murs ou des dalles. Les solutions disponibles se trouvent sous deux formes comme pour les poutres (Cf croquis 28) :
Lamelle pultrudée
Bande de tissu

Croquis 28

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 Pour des sollicitations en cisaillement du à l'effort tranchant Les procédés visent à éviter la rupture classique en cisaillement des murs porteurs ou des cloisons de remplissage illustrée ci-dessous. (Cf photo 8&9) La photo 8 a été prise à l'hopital de Dellys en Juin 2003 et la photo 9 en turqui en 2000.

Photo 8

Photo 9

La solution à base de tissu ou de lamelles collées sur la maçonnerie ou l'enduit permet d'augmenter les performances en cisaillement en faisant office de tirant de contreventement.(Cf croquis 29)

Croquis 29

 Pour des sollicitations en flexion Les bandes seront appliquées de façon à travailler en traction et en compression.(Cf croquis 30) Le mode de fonctionnement se rapproche de celui d'un panneau sandwich. BESACIER Guy

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Croquis 30 8.2.7 Par grillage métallique Un grillage est fixé au mur à l'aide de connecteurs puis recouvert d'un enduit formant ainsi un panneau sandwich ; cette solution permettant à un mur en maçonnerie non armée de résister à la fois en cisaillement et en flexion (Cf croquis 31) :

Croquis 31

Cette solution est déjà adoptée pour le renforcement parasismique des ouvrages en adobe en Amérique Latine.(Cf croquis 32)

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Croquis 32 Elle est couplée avec des renforts d'angle et d'extrémité de mur à l'aide de cornières et de feuilles solidarisées par des boulons.(Cf croquis 33):

Croquis 33

La solution belge " ARMANET DISTA" développée par la société BEKAERT se compose d'un treillis soudé galvanisé dont la maille est 16 x 16 mm en 1 mm de diamètre fixé à l'aide de chevilles au nombre de 8 par m2 et enduit par mortier hydraulique. Les résultats des essais réalisés à l'université de Pavie en Italie par le professeur CALVI, montre une amélioration importante de la résistance nécessaire pour atteindre la limite de rupture en cisaillement et en flexion par rapport à un mur non armé ( le pic d'accélération "PGA", serait de 1.2 g au lieu de 0.40g ).

8.2.8 Par collage de grillage en fibres synthétiques ou en verre Les grillages de verre, de carbone, d'aramide ou de PVA collées à l'aide de résine permettant de confiner la maçonnerie. Un enduit pourra ensuite recouvrir ce renfort. photo 10)

sont

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(Cf

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Photo 10

Photo 11

Les solutions américaines "TYFO" de FYFE en réparation post-sismique et renforcement parasismique avec du tissu de verre permettent de remplacer une couche de (4 inch)10 cm de béton projeté par une couche de (0.25 inch.) 6 m/m à base de verre. Le poids propre ajouté ne dépasse pas 10 daN/m2 au lieu de 220 daN/m2.(Cf photo 11) Cette solution est donc bien adaptée à la construction parasismique où la masse est l'ennemi N°1.

9 CONCLUSIONS 9.1

A quels objectifs peuvent répondre les composites ?

Les systèmes composites sont principalement utilisés pour renforcer les structures existantes en béton armé. Ces structures ont besoin d'être renforcées pour les raisons suivantes : • Détérioration ou dégradation • Erreur de conception • Erreurs de construction • Changement de charge d'exploitation • Renforcement parasismique Les composites FRP sont essentiellement destinées à : • Fournir un gain de résistance en flexion des poutres et des dalles en BA (lamelle) • Augmenter la résistance en cisaillement des poutres en BA (tissu) • Confiner les poteaux en BA et obtenir une meilleure ductilité lors des séismes (tissu) • Réduire les risques d'effondrement par dislocation des éléments entre eux (barre tendue) BESACIER Guy

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Parmi plusieurs autres applications dans le domaine sismique, les murs en béton ou en maçonnerie peuvent aussi être renforcés efficacement. Ils peuvent être avantageusement utilisés pour renforcer des ouvrages en béton armé comme des tuyaux ou des silos qui sont soumis à des pressions élevées. Les domaines où les solutions à base de composite FRP ne sont pas performantes sont : • Correction des problèmes vibratoires. • Augmentation de la résistance en compression des murs. • Augmentation de la résistance en cisaillement des dalles. Quand le FRP est utile, il faut reconnaître ses limites et le gain de résistance obtenu ne dépasse généralement pas 50% ce qui est suffisant, par contre la ductilité peut être facilement multipliée par 5. 9.2

Quelle fibre choisir entre le carbone, l'aramide ou le verre ?

La sélection des fibres peut se résumer en fonction des applications à partir des considérations suivantes : Les fibres de verre "GFRP" et d'aramide "AFRP" sont excellentes pour le renforcement parasismique Elles apportent par frettage de poteaux en tissu 0-90, une ductilité supérieure à celle fournie par du carbone grâce à un allongement à la rupture supérieur. Lorsque les contraintes de flexion ou de cisaillement sont importantes en service, il faut éviter d'utiliser les fibres de verre "GFRP" à cause des risques de rupture par fluage où le carbone est plus approprié. Enfin pour les applications extérieures les fibres de carbone ont une meilleure durabilité.

10 PROPOSITIONS 10.1 Domaine de recherches techniques à promouvoir. Les recherches récentes dans le domaine des matériaux composites et des liants hydrauliques montrent que nous avons à notre disposition de nouveaux choix pour concevoir, construire, réparer et renforcer des ouvrages. 10.1.1 L'utilisation des tissus et des pultrudés L'utilisation de pultrudés en plancher comme cela se fait en offshore et en tablier de pont pourrait réduire considérablement le poids propre des ouvrages donc les rendre moins vulnérables. Les freins à cet essor d'utilisation dans le secteur BTP français sont la formation et la réglementation qui ont du mal à suivre la production des industriels. BESACIER Guy

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En effet alors que les méthodes de calcul du béton armé, de l'acier et du bois sont officielles et assimilées et que la réglementation européenne commence à s'appliquer, celle concernant les matériaux composites a du mal à voir le jour. En France quelques sociétés de travaux spéciaux comme Fressynet, Etandex, VSL, et GTM appliquent des composites issuent de fournisseurs comme SIKA, EPSILON, S&P, TORAY et bientôt MBT. Au Royaume Uni, le guide pour le renforcement des ouvrages en béton armé utilisant des matériaux composites a été publié en 2000 par la CONCRETE SOCIETY (Technical Report N° 55) En Suisse, la société SIKA ainsi que la société S&P publient "les éléments de dimensionnement" et mettent à disposition des bureaux d'études des logiciels de calcul de dimensionnement tels que "FRP Analysis" et "FRP LAMELLA" pour le renforcement des poutres rectangulaires ou rondes, poutres rectangulaires ou en T et dalles en béton armé ainsi que le confinement de poteau. En Italie, la société SIREG SpA propose toute une gamme de solutions composites et en particulier de nouveaux produits en barres et grillages d'aramide. Au Royame -Uni, EXCHEM propose toute une gamme de produits adaptés à des applications de renforcement d'ouvrages. Les fabricants de fibre aramide ont permis d'apporter des solutions efficaces qui sont mise en œuvre dans la plupart des pays car elles améliorent le comportement des bétons d'une façon supérieure aux fibres de carbone en particuliers pour des charges dynamiques que ce soit à l'impact ou au séisme. Alors que ces fibres sont couramment utilisées en aéronautique, automobile, aérospatiale, loisirs, vêtements, ils n'arrivent pas à percer le marché du BTP français très frileux devant ces nouveaux matériaux. Néanmoins une prise de conscience est en cours et un projet national initié par l'IREX (Institut National de Recherche Expérimentale) abordant deux thèmes devrait être lancé en 2003 avec l'aide de l'état. • le renforcement des structures avec des matériaux composites. • l'utilisation de matériaux composites en génie civil. 10.1.2 L'utilisation de fibres végétales Les fibres naturelles sont utilisées depuis plus de 3 000 ans en renforcement de matériaux. Récemment ils sont utilisés en association avec des résines plastiques et thermodurcissables. L'exemple le plus récent à grande échelle fut la fabrication de l'automobile TRABANT en Allemagne de l'Est à partir de 1950. La carrosserie était fabriquée à partir de polyester armé avec de fibres de coton. Beaucoup de types de fibres sont couramment étudiées en vue d'une utilisation composite : chanvre, enveloppe du riz, bois, lin, jute, paille, blé, orge, avoine, seigle, canne à sucre et à bambou, herbe, roseau, raphia, peau de banane, feuille d'ananas, papyrus, sisal etc.… Les fibres végétales ont l'avantages d'être renouvelables et attrayante. Beaucoup d'entre elles comme la feuille d'ananas, sont issues de production de déchets et donc ne coûtent BESACIER Guy

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pas cher. Néanmoins, elles peuvent poser un problème de tenu dans le temps, notamment à cause de leur caractère hygroscopique dont l'effet est généralement source de réduction des caractéristiques mécaniques en résistance par une dégradation biologique. Il pourrait être intéressant de développer pour les Antilles l'usage du bambou grâce à ses performances mécaniques sont nettement supérieures à celles du bois (résistance à la rupture en traction proche de 60 MPa). C'est en plus un matériau parfaitement écologique car sans effet sur la couche d'ozone lors de son exploitation et qui pousse à une vitesse élevée notamment en Guyane. Des études ont été menées en Amérique latine pour réaliser des poutres composées de tiges dans le même esprit que les mèches de carbone sont composées de fibres de carbones à une autre échelle. Les résultats sont prometteurs. Reste à améliorer le mode d'assemblage au niveau des nœuds poteaux-poutres pour convaincre les constructeurs. Des ouvrages parasismiques à base de terre armée avec des tiges de bambou ont déjà été réalisés en Amérique du sud (Equateur) et centrale (Salvador). Ils présentent une ductilité plus grande donc une vulnérabilité moindre que ceux en terre crue pure. Cette technique pourrait se généraliser dans les pays disposant de ces matériaux : terre, bois et fibre végétale telle que la paille. La construction en pan de bois avec remplissage en torchis et une couverture légère de type bardeau de chataigner ( 18.4 daN/m2) ou de RED CEDAR (17.4 daN/m2), pourrait apporter un comportement ductile intéressant face aux séismes à condition d'une part de se préserver des insectes xylophages et champignons lignivoreset d'autre part de réaliser des assemblages fiables. La technique Salvadorienne du bahareque similaire au torchis prouve que ce type de construction n'est pas dangereux pour ses occupants. Il a en plus l'avantage d'être facilement réparable. 10.2 Bilan financier Les matériaux composites présentent des solutions très performantes techniquement mais parfois économiquement lourdes à engager, raison pour laquelle les études financières doivent tenir compte de la valeur économique humaine dans le calcul des pertes économiques en mettant l'accent sur le nombre des victimes qui pourraient être épargnées par leur utilisation. Puisque nous sommes dans une société basée sur le profit, il serait judicieux de se servir de ces outils financiers qui mettent en évidence le gain obtenu par des résultats comparatifs. L'état français a bien compris que les victimes de la route coûtent à la collectivité chaque année environ 18 milliards d'Euros et a finalement décidé de mettre en place une politique de sécurité routière préventive et répressive avec des moyens préventifs importants et des sanctions graves pour ceux qui ne respectent pas la réglementation. Il lui a fallut plusieurs années pour réagir, souhaitons seulement que la catastrophe majeure comme celle qui vient de se produire près d'ALGER va accentuer la prise de BESACIER Guy

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conscience collective sur la nécessité de lancer des travaux sur les ouvrages existants les plus vulnérables.

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11 ANNEXES La plupart de fibres sont toutes les formes sont présentées et décrites pour permettre d'avoir un aperçu de ce qui est à disponible actuellement sur le marché. 11.1 Les fibres métalliques 11.1.1 Généralités Elles sont généralement incorporées au béton lors de son malaxage. Elles ont pour rôle d'augmenter la ténacité et la ductilité du béton La teneur en fibre dans le béton peut varier de 80 à 250 kg par m3 suivant la résistance en flexion que l'on veut obtenir. Elles augmentent la résistance à la traction et en flexion, diminuent le retrait et améliorent le comportement sous charge dynamique. Dans certains cas elles peuvent remplacer les armatures traditionnelles comme le treillis soudé mais il n'existe pas de méthode de calcul précise pour dimensionner un béton fibré acier. Au niveau du béton projeté en voie sèche par exemple, le développement est actuellement entravé par son coût élevé, son prix est environ le double du prix du béton normal. 11.2 Les formes des fibres métalliques 11.2.1 Les fibres d'acier tréfilé Elles ont une longueur qui varie de trois à cinq centimètres (2 à 5 cm) pour un diamètre d'environ un demi-millimètre (0.2 à 0.5 m/m ); Elles sont généralement cylindriques. Le Type "Dramix" de BEKAERT fait 0.5 m/m de diamètre et possède des extrémités tordues (Cf croquis 34) .

Croquis 34 Le Type "BSI" de SIKA utilisée avec le CERACEM : O.3 m/m de diamètre (Cf croquis 35) Elle est en acier à très haute résistance et possède une limite élastique de 1200 Mpa. :

Croquis 35

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11.2.2 Les fibres en fonte Elles ont été mises au point par PONT A MOUSSON, elles sont plates rectangulaires d'épaisseur fine de l'ordre de 10/100 m/m.(Cf croquis 36)

Croquis 36 Elles ne sont pas ductiles, coûtent cher et pratiquement plus utilisées.

1.2 Les fibres longues organiques Quelques marques connues : -

Aramide: Kevlar®, Twaron®, Technora®, Nomex® Carbone : Tenax® Toray® Liquid Crystal Polymer (LCP) : Vectran® PBO: Zylon® PBI® High Modulus Polyethylene (HMPE): Spectra®, Dynema® PEN: Pentex® Polyesters: Dacron, Diolen® Fibre de verre : Cemfil® S2b Glass® Polyamides: Nylon®, Cordura®

11.2.3 Les formes des fibres organiques Elles ont un diamètre variant de 10 à 20 microns, elles sont réunies en mèches de plusieurs centaines à plusieurs milliers. Les fibres sont utilisées sous forme linéique, surfacique unidirectionnelle ou multiaxiale. Actuellement les fibres les plus utilisées sont à base de verre, de carbone et d'aramide. 11.2.4 Elément de base Les fibres sont réunies en fils ou mèches dont l'unité de masse linéique est le TEX Soit 1 tex = 1 g/km Ou plutôt 1 tex = 10-6 g/m Pour caractériser les fibres, les essais en traction donnent un résultat sous la forme d'une courbe de "ténacité" associant l'effort par tex mesuré en CN/tex à la déformation car il est difficile de mesurer l'aire de la section considérée.

Le diagramme suivant donne un aperçu comparatif des performances des familles de fibres. ( Cf diagramme 4)

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Diagramme 4 11.2.5 Forme linéique Les cordages sont utilisés pour créer des liens entre éléments. Ils sont principalement utilisés en haubanage et en manutention dans le domaine du BTP Les qualités amagnétiques, non corrosives, ou simplement légèreté des cordages à base de fibres organiques, amènent de plus en plus d'utilisateurs de câbles métalliques à se pencher sur ces matériaux, dont les caractéristiques de résistances dépassent les performances de l'acier. Un câble de 3 000 m ayant une résistance rupture de 30 Tonnes pèse : - en textile : 150 kg - en acier : 4 500 kg

11.2.6 Forme surfacique Le Mat : c'est une nappe de fils continus disposés dans un plan sans orientation préférentielle. De ce fait il a un caractère isotrope. C'est un tissu économique qui est intéressant pour reprendre de choc ou des efforts de cisaillement notamment en âme de poutre pultrudée.

Le Tissu : Il est constitué • d'une chaîne : ensemble de fils parallèles suivant la longueur du tissu • d'une trame : ensemble de fils plus fins s'entrecroisants avec les fils de chaîne BESACIER Guy

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Les différents types de tissu (ruban) suivant le mode d'entrecroisement (armure) sont : • Toile ou taffetas : chaîne et trame sont identiques • Satin : armure 4 ou 8 • Sergé : armure 3, 4 ou 5 • Tissu haut module : deux nappes de chaînes perpendiculaires • Tissu à armature unidirectionnel : trame très fine • Tissus multiaxiaux : 3D ou 4D pour des performances importantes 11.2.7 Les fibres courantes 11.2.7.1

La fibre aramide

Elle est fabriquée à partir d'une fibre de polyacrylique ayant été oxydée, carbonisée, graphitée puis ayant subi un traitement de surface. La fibre méta-aramide la plus connue est le Nomex, commercialisée en 1961 par DuPont de Nemours. L’autre fibre méta-aramide, commercialisée sous le nom de Teijin Conex, est produite par Teijin (Japon). Synthétisée en 1965 par S. Kwolek chez DuPont de Nemours aux États-Unis, la fibre paraaramide a été commercialisée sous la marque déposée Kevlar. Depuis le début des années 80, la société néerlandaise AKZO NOBEL commercialise une fibre para-aramide sous le nom de Twaron, dont les caractéristiques sont similaires à celles du Kevlar 29 La fibre Technora de TEIJIN entre dans la désignation para-aramide et correspond à un polyamide aromatique modifié.

Résistance en traction Module de traction Allongement à la rupture Densité

AKZO NOBEL

TEIJIN

Unités Mpa

Du PONT deNEMOURS KEVLAR 2900

TWARON 2900

TECHNORA 3500

Gpa

111

111

74

%

3

3

4.5

1.45

1.45

1.39

À cause de leur structure macromoléculaire différente, les fibres méta-aramides ont une résistance en traction plus faible que les fibres para-aramides. En revanche, elles sont thermiquement et chimiquement plus stables et sont très prisées dans les applications concernant la protection (vêtements, filtres industriels) pour leur résistance au feu et aux agents chimiques. Sous forme de papier, elles sont très utilisées pour l’isolation électrique et la fabrication de nids-d’abeilles, âmes pour composites sandwiches. Les fibres para-aramides, du fait de leur degré élevé d’orientation lors du procédé de filage, possèdent une résistance élevée en traction et une faible densité. Ces caractéristiques parmi d’autres ont permis aux ingénieurs de les utiliser dans de très nombreux domaines d’applications : • • BESACIER Guy

protections balistiques (souples et rigides) ; renforts dans les élastomères (pneumatiques, tuyaux) ; - 71 -

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• • •

cordages et câbles ; renforts de faisceaux de fibres optiques ; renforts pour matériaux composites.

Sous forme de fibres courtes, les fibres para-aramides sont utilisées pour la fabrication de gants et vêtements de protection; des études sont en cours pour du béton fibré. Sous forme de pulpe, elles ont remplacé la fibre d’amiante dans les applications où de bonnes résistances à la chaleur et à l’abrasion sont requises : disques d’embrayage, plaquettes de freins et joints. Plus récemment, les fibres para-aramides sous forme de fibres courtes ont servi de renfort dans les matières thermoplastiques injectables pour leur conférer une meilleure résistance à l’abrasion. Elles ont par contre une faible résistance aux ultra-violets. Les applications des fibres aramides dans les matériaux composites représentent environ 5 % de la consommation totale de ces fibres. Plusieurs sociétés commercialisent des tissus hybrides verre-aramide. Une des applications récentes est le renforcement des fûts de pile de pont soumis à des chocs de véhicules. Exemple de distribution de renforcement de poteau PK1

PK2

PK3

PK4

Reinforcement

8 Ø 20

8 Ø 20

8 Ø 20

8 Ø 20

Hoops spacing [mm] Strenghtening

Ø8 s = 300 -

Ø8 s = 300

Ø8 s = 300

Ø8 s = 300

longitudinal

-

transversal

-

Kevlar® 2 layers of AK-60 2 layers of AK-60

Kevlar® 3 layers of AK-60 2 layers of AK-60

Kevlar® 4 layers of AK-60 2 layers of AK-60

Moments ultimes et déformation à la rupture

PK 1

Failure load P [kN] [%] 100.0 147

PK 2

255

173.5

418

115

135.3

PK 3

349

237.4

568

137

161.2

PK 4

379

257.8

616

148

174.1

Bending moment MR [kNm] 245

Deflection at failure w [mm] [%] 100.0 85

Ces résultats démontrent que cette fibre permet d'augmenter considérablement le moment pouvant être repris par un élément poutre. Les résultats d'essai réalisé récemment ont permis de démonter que la rupture en cisaillement n'existe plus grâce à la capacité des tissus à confiner le béton. Cette particularité devrait permettre de renforcer facilement les poteaux courts. Caractéristiques mécaniques du Kevlar : Caractéristiques Densité Contrainte traction BESACIER Guy

δ rupture σvt

unités

Mpa

Kevlar 29 1.44 3000 - 72 -

Kevlar 49 1.45 3600

Kevlar 149 1.47 3000 11/03/08

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Module long Εv Allongement rupture εr

Gpa %

60 4

130 3

200 1.5

Inconvénients : Prix très élevé : 75 à 150 E/kg Performances : • Très performante en traction • Faible résistance en compression • Sensibilité au cisaillement interlaminaire • Mauvaise adhérence avec la matrice • Excellente ténacité Elle est utilisée pour des charges dynamiques de type choc, explosion, séisme. Elle devrait etre largement appliquée dans un avenir proche. 11.2.7.2 La fibre de carbone Elle est obtenue à partir d'un "précurseur" qui peut être issu soit de brai soit de PAN. La matière première formée de fils de polyacrylonitrile (PAN) est elle-même issue de la polymérisation et du filage de fibres acryliques. Les fils de PAN sont alors soumis successivement à une oxydation à l'air entre 200 et 300 °C, puis à une carbonisation à 1000°C ou à une grap hitisation à 2500°C suivant les propriétés souhaitées. Les fibres ainsi obtenues sont ensuite soumises à un traitement de surface le plus souvent par oxydation électrolytique en vue de favoriser l'adhérence entre matrice et fibres. Caractéristiques Densité Contrainte rupture traction Module long Allongement rupture

unités δ σvt Εv εr

Mpa Gpa %

Carbone HM 1.95 2200 38 0.6

Carbone HR 1.75 2500 260 1

Inconvénients : Prix élevé : 15 à 40 E/kg Performances : • Fragile à la fabrication • fragile à l'abrasion • Insensible à l'eau, y compris aux sels de déverglaçage. • faible fluage, • conducteur, • amortissement élevé, • Excellent e résistance à la fatigue. • Coefficient de dilatation therrmique faible (50 fois moins que l'acier) 11.2.7.3 la fibre de PVA Les fibres PVA (alcool polyvinylique) sont compatibles avec le ciment alcalin, reste à vérifier que l'adhérence est suffisante. Leur prix est d'environ 4.5 E/kg BESACIER Guy

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11.3 Les fibres de verre Les fibres de verre sont économiquement plus intéressantes que les fibres organiques synthétiques. La fibre de verre est 300 fois plus résistante que le verre sous sa forme en bloc ou en plaque, ceci à cause de la faible quantité de défauts présents. 11.3.1

Différents types de fibres de verres filables vierges Type

Caractéristiques et usages Bonnes propriétés électriques Usages généraux

E D

Hautes propriétés électriques

AR

Haute teneur en alcali

C

Bonne résistance chimique

R&S

Haute résistance mécanique

Caractéristiques des fibres et des composites associés utilisés dans le BTP Caractéristiques densité Contrainte rupture traction Module long Allongement rupture Coefficient Poisson

unités δ σvt Εv εr ν

Mpa Gpa %

Verre E 2.6 3400

Verre R 2.55 4400

E+Epoxy

R+Epoxy

2500

3000

73 4.5 0.22

86 5.2 0.22

1.8 0.3

0.4

Avantage : Prix faible : 2 E/kg Les fibres compatibles avec le ciment : Pour des raisons de compatibilité chimique, il ne faut pas utiliser des fibres courtes en verre ordinaire car elles sont attaquées par les alcalis solubles (Na2O+K2O) contenus dans le ciment. Les fibres utilisables sont de type AR : celles à base de verre au zirconium (Cemfil) fabriquées par PILKINGTON mais ne garantissent pas à 100% le tenue dans le temps

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Leur inconvénient est d'avoir un module assez bas (80Gpa) qui est proche de celui de l'aluminium . 11.4 Les fibres végétales 11.4.1 Les avantages et les inconvénients Les recherches récentes en cours ont démontré qu'avec un poids inférieur de 40% par rapport au verre, les fibres végétales comme le lin ou le chanvre ont un taux de croissance économique de l'ordre de 60% par an dans ces secteurs et vont pénétrer les marchés des platelages, palissades, et menuiseries du bâtiment. Cette réduction de masse est intéressante car elle pourrait diminuer les charges d'exploitation. Elles sont disponibles en grande quantité malheureusement elles sont hygrocopiques ce qui les rend inutilisables en structure porteuse à cause de l'insabilité de leurs performances mécaniques. 11.4.2 Les différentes fibres 11.4.2.1 Les fibres de bambou Le bambou est une herbe à croissance très rapide puisqu'elle peut atteindre près d'un mètre par jour dans des conditions d'humidité importante. Ses performances mécaniques sont surprenantes pour un végétal : Résistance à la traction : 180 MPa Module d'élasticité : 20 GPa Ce matériau est déjà utilisé en structure notamment pour réaliser des échafaudages en Asie ou du renforcement parasismique des maisons en adobe en Amérique centrale et Amérique du sud. 11.4.2.2

Les autres fibres végétales

Le chanvre est déjà utilisé avec une matrice à base de chaux pour des enduits de ravalement ou seules en isolation thermique au niveau des planchers entre solives. Les autres fibres couramment utilisées sont : • Les fibres de sisal • Les fibres de coton • Les fibres de jute • Les fibres de lin • Les fibres de genêt 11.5 Les matrices organiques Il existe deux familles : • Les résines thermodurcissables • Les résines thermoplastiques BESACIER Guy

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11.5.1

Les résines thermodurcissables : Nom Polyester insaturé Vinyl-ester Epoxyde Phénolique Polyuréthanne Furanique Bakélite

• •

Domaine d'utilisation Chimique Température & chimique Mécanique Feu & temps Choc étanchéité Corrosion Electricité

Elles ne peuvent être mises en forme qu'une seule fois. Après polymérisation en présence d'un catalyseur, ces résines conduisent à une structure qui ne peut être détruite que par une source d'énergie thermique extérieure importante.

 Elles ne sont pas facilement recyclables.

Leurs caractéristiques mécaniques sont les suivantes :

Polyuréthanne Vinlylester Masse volumique Module en traction Contrainte de rupture en traction Allongement à la rupture Contrainte à la rupture en flexion Résistance au cisaillement Température de fléchissement sous charge

Polyester

Epoxy

1200 2.8 à 3.5 50 à 80

1100-1500 3à5 60 à 80

kg/m3 Gpa MPa

1150 7

1200 4 70

%

300

5

2à5

2à5

Mpa

100-135

90 à 130

100 à 150

Mpa

20-40

10 à 20

30 à 50

°C

100

60 à 100

290

11.5.2 Les résines thermoplastiques :  Elles sont mises en œuvre par injection ou extrusion  Leur coût est relativement faible, mais leurs performances mécaniques ne sont pas très élevées.  Elles sont facilement recyclables BESACIER Guy

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 Elles ne sont pas utilisées en renforcement dans le BTP, on les trouve par contre en menuiserie (PVC) Noms

Domaine d'utilisation

Polyamide

Utilisation courante

Polyoléfine

Rotomoulage

Polyester saturé

Mécanique & température

Styrénique

Isolation

Polycarbonate

Choc

Polyphénilène Polysulfone PVC

Canalisation, menuiserie

Polycarbonate

Paroi transparente

Polypropylène Polyamide

Haute température

Polyéthylène

11.6 Les matrices minérales Il existe trois familles : • Les bétons ordinaires (~30 Mpa) •

Les bétons à hautes performances (~100 Mpa)

•

Les bétons ultra hautes performances fibrés ou non (~300 Mpa)

Tableau comparatif des performances des trois familles :

Fc28 j Fc1j Fc7j Ft28j E Fluage Dosage Eau/Liant Dosage ciment Fumée de silice Superplastifiant Coût

11.6.1

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unités Mpa Mpa Mpa Mpa Gpa

Kg/m3 % % Euros/ m3

BO 30 5 15 2.4 35 2 0.5 380 0 0 50-80

BHP 60-90 25-30 50-75 4.2-5.5 42-52 1.5-0.8 0.34-0.38 400-420 0-8 1.3 100-140

BUHP 150-300 64-80 140-160 7-10 65-70 0.20 1000-1100 16 4.0 1000-1300

Les bétons à hautes performances :

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Ils sont issus de travaux de recherche pour la construction d'immeubles de grande hauteur puis pour la réalisation de plates-formes pétrolières offshore. Les avantages par rapport aux bétons ordinaires sont les suivants : • Durabilité supérieure vis à vis des agressions physico-chimiques • Fluidité du béton frais facilitant sa mise en œuvre • Résistance plus élevée notamment au jeune âge favorisant l'optimisation de décoffrage • Haute résistance en compression permettant de réduire les sections • Réduction du coût global d'un ouvrage 11.6.2

Les bétons à ultra hautes performances

La gamme des bétons à très hautes performances a commencé à apparaître avec le Ductal (LAFARGE) un béton BPR (béton à poudre réactives) puis du CERACEM (SIKA) un béton issu de la technologie BSI (béton spécial industriel) dans les centrales nucléaires au niveau des poutres en I précontraintes à base de sable de bauxite calciné, de fumée de silice et de ciment haut de gamme associé avec des fibres d'acier haute résistance. Ces matériaux modernes sophistiqués sont encore relativement chers donc réservés à des ouvrages hors du commun ; néanmoins il est prévu de réaliser la couverture de la gare de péage du viaduc de Millau par une coque nervurée de faible épaisseur en CERACEM. Il est envisageable de penser que leur utilisation pourra aussi se faire pour réaliser des planchers légers grâce à leur faible épaisseur. Le CERACEM se coule à froid sans vibration et permet de réaliser des formes complexes comme des corbeaux intégrés à une poutre. L'intérêt du BFUP (béton fibré ultra performant) réside dans le fait que ses résistances en traction permettent de s'affranchir d'aciers passifs. Des études sont encours pour une utilisation en renforcement d'éléments linéiques tels que des poteaux ou des poutres par chemisage d'une couche mince fibrée. La loi de comportement équivalente est la suivante (Cf diagramme 5):

Diagramme 5

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Tarifs

CERACEM DUCTAL

Prix en vrac E/m3 1300 1000

Prix en sac E/kg 2

Formulation Dosage Ciment en kg CERACEM 1074

Fumée de Granulats silice 0/7 mm 163 1032

Adjuvants Fibres métalliques 234 39

Eau 197

Performances

CERACEM Fibré3% PVA CERACEM Fibré 2.5% acier CERACEM fibré 3% acier DUCTAL

Masse volumique

Contrainte Résistance compression Flexion

Module Traction

Kg/m3

MPa

Mpa

GPa

2600

157

15

70

2800

179

30

70

2800

156

39

65

230

50

Les avantages sont les mêmes que les BHP en précisant que le BUHP est autoplaçant donc il n'a pas besoin d'être vibré. Il est particulièrement adapté à : la préfabrication • la réparation • le renforcement 11.6.3 Les modes de mise en œuvre particulières du béton ordinaire Les bétons projetés en voie sèche ou en voie humide sont très utilisés en réparation ou en renforcement d'ouvrages. Un béton projeté par voir sèche confectionné avec 3 à 5 % en volume de fibres métalliques peut atteindre les performances suivantes :

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Résistance en compression

Mpa

35 à 45

Résistance en flexion

Mpa

20 à 25

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Résistance en Traction

Mpa

7 à 10

Module d'élasticité longitudinal

Gpa

20

La résistance en traction est nettement améliorée. Ce procédé confère une certaine ductilité à ce matériau (Cf diagramme 6) qui est utilisé en renforcement parasismique de maçonnerie ou de voile en béton armé et en réparation d'ouvrage (le tunnel sous la Manche a été réparé par ce procédé).

La loi de comportement en traction d'un béton projeté par voie sèche est la suivante :

Diagramme 6

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