Renforcement de structures en béton - Évaluation de la résistance au cisaillement

Recourir aux techniques de renforcement et de réparation des structures en béton armé ou précontraint est devenu de plus en plus fréquent. En effet, partout dans le monde, il existe des bâtiments à usage d’habitation ou destinés aux activités industrielles, à la logistique ou au transport, des ouvrages d’art, etc. qui nécessitent d’être renforcés ou réhabilités pour de très nombreuses raisons. D’une part, leurs structures porteuses, de qualité, de capacité et de fonction très variables, vieillissent et se dégradent toutes avec le temps. Environ 85 à 90 % des structures construites dans le monde ont déjà atteint une durée de vie supérieure à 20 ans et un grand nombre d’entre elles devraient ou devront être remplacées ou réparées du fait de leur état d’endommagement. D’autre part, des erreurs pouvant avoir été commises lors de la phase de conception ou de construction, certaines structures doivent être renforcées ou remises à niveau avant de pouvoir être utilisées. Enfin, des modifications d’usage pour un bâtiment ou un ouvrage, peuvent imposer des transformations (augmentation significative de la demande dans le secteur des transports par exemple) si de nouvelles exigences ou une évolution des normes imposent de renforcer les structures correspondantes.

Lorsque l’une de ces situations se présente, l’ingénieur doit évaluer s’il est plus économique de renforcer la structure déjà construite plutôt que de la remplacer. Dans le premier cas, il dispose de nombreuses techniques bien adaptées aux ouvrages ou bâtiments en béton existants. Citons, par exemple :

• le béton projeté ;

• différents types de revêtements comme :

  • des fibres ou des lamelles de carbone,

  • une nouvelle couche de béton rapportée ;

• des câbles de précontrainte disposés à l’extérieur de la structure, c’est-à-dire une précontrainte additionnelle par post-tension.

Parmi ces méthodes, les techniques de renforcement des structures en béton par enrobage ou ajout d’une nouvelle couche de béton rapportée sont donc une alternative intéressante. En effet, ce procédé de renforcement des constructions par section composée de béton permet à la fois :

• d’augmenter la résistance des structures dégradées, endommagées ou faisant l’objet de défauts de conception ou d’exécution afin de prolonger leur durée d’utilisation ;

• d’adapter la structure à des modifications de ses conditions d’exploitation (changement d’usage) ou d’accroître sa capacité portante.

Notons cependant que la méthodologie employée pour la mise en œuvre peut varier significativement : présence ou non de connecteurs ou d’aciers de coutures, qualité de la surface de reprise, etc.

Dans un premier temps, cet article présente, de manière générale, le principe de réparation et de renforcement des ouvrages en béton par enrobage ou coulage d’une nouvelle couche de béton. Il en détaille également le domaine d’emploi et l’usage prévu de cette technique, puis expose plusieurs exemples d’application dans les domaines du génie civil et des ouvrages d’art, des ouvrages industriels et des bâtiments d’habitation ou tertiaires.

Il aborde ensuite, de manière plus détaillée, le comportement mécanique le long de la surface de reprise (interface béton-béton) en faisant le lien avec les règles de calcul en vigueur. En effet, si la norme européenne actuelle relative au calcul des structures en béton armé, l’EN 1992-1-1 (ou Eurocode 2), établit des règles pour le calcul de la résistance au cisaillement des surfaces de reprise (interface béton-béton), elle ne tient pas compte de la présence de connecteurs de cisaillement.

C’est pourquoi, pour le calcul de la résistance d’une surface de reprise renforcée par ce type de produits, il convient de suivre les préconisations du rapport technique de l’EOTA (European Organisation for Technical Assessment) TR 066.

L’article détaille donc la réglementation actuelle qui s’applique pour le dimensionnement de ces joints, ainsi que les différents modes de ruine qui doivent être vérifiés pour le calcul de la résistance au cisaillement de la surface de reprise.

Les méthodes de calcul présentées ici couvrent l’ensemble des actions agissantes prises en compte dans l’EN 1992-1-1 et l’EOTA TR 066 : action statique et quasi statique, fatigue, et action sismique.

La mise en œuvre de cette technique de renforcement nécessite également une méthodologie rigoureuse qui est présentée en détail ou soulignant qu’une attention particulière doit être apportée à chaque étape pour assurer une bonne conformité entre les hypothèses prises pour le calcul et les détails de mise en œuvre. Tout d’abord, la surface extérieure de la couche de béton existante endommagée ou en reprise, doit être correctement préparée : nettoyage, aspiration soufflage, repiquage du béton, élimination des poussières, des morceaux de béton et du ragréage éventuel. La rugosité de surface doit aussi satisfaire aux hypothèses prises. Pour ce faire, les principales techniques utilisables sont alors le sablage humide ou à sec, le lavage à l’eau sous très haute pression ou le ponçage au disque diamanté par exemple.

Ensuite, les recommandations sur la préparation de la surface de reprise, facteur clé dans le dimensionnement et qui sont introduites dans le rapport technique TR 066 de l’EOTA, sont rappelées dans l’article. Il est également souligné que, dans le cas d’un renforcement par connecteurs, leur implantation doit être conforme aux instructions de pose des Évaluations techniques européennes (ETE) de ces produits : forage, nettoyage des trous, mise en place des connecteurs avec respect des profondeurs d’implantation, injection ou non de résine, etc.

Puis une liste non exhaustive de connecteurs est présentée : aciers d’armatures (solution traditionnelle) et les connecteurs sous ETE comme les vis à béton (ancrage mécanique) ou les connecteurs scellés par résine d’injection : les tiges scellées et les connecteurs à tête d’ancrage. Les avantages et les inconvénients de chaque solution sont présentés incluant un comparatif sur les propriétés et résistances mécaniques (statique, sismique ou fatigue) mais également en termes de productivité chantier.

Enfin, après la mise en place des connecteurs et celle des armatures de renforcement (facultative), la nouvelle couche de béton ou de mortier est appliquée. Les caractéristiques doivent être compatibles avec celles du béton existant et l’agressivité de l’environnement de l’ouvrage. Il est mis en œuvre manuellement, mécaniquement dans des coffrages ou projeté, selon le volume et la géométrie de la cavité à combler.

L’article se conclut par un rappel des différentes règles de calcul sous la forme de logigrammes et leur implémentation dans un logiciel de calcul à destination des ingénieurs, véritable outil d’aide à la prescription technique.