Suivi et comportement des poutres de ponts en béton renforcées par composites collés

Transcription

1 1 7 ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris Suivi et comportement des poutres de ponts en béton renforcées par composites collés M. Abdessemed * S. Kenai ** A. Bali *** A. Kibboua **** B.Guillier **** J.L.Chatelain **** * Doctorant ENP Alger, Directeur Central, Ministère des Travaux Publics, Algérie 2 Rue Khalef, Ben Aknoun, Alger abdesmoul@yahoo.fr ** Laboratoire Géo-matériaux, Département Génie Civil, Université Saad Dahleb de Blida, Algérie *** Laboratoire Construction et Environnement, Département de Génie Civil, ENP Alger, Algérie **** Centre National de Recherche Appliquée en Génie Parasismiques, Algérie RÉSUMÉ. L'Algérie possède un patrimoine de plus de 8000 d'ouvrages d'art, dont 55% routiers, avec plus du quart de ce nombre nécessitant des interventions de réparation ou de renforcement. L application des produits de réparation comme techniques de renforcement telles que le chemisage, le béton projeté, la précontrainte extérieure ou les matériaux composites, permettent de recouvrer les caractéristiques mécaniques de la structure. Dans la plupart des cas, la garantie de ces réparations n est pas assurée, car le suivi de comportement et contrôle à court et moyen termes ne sont pas appliqués. Cet article présente une approche de suivi expérimental du comportement des poutres de pont en béton armé renforcées par composites de fibres de carbone. Des essais par vibrations ambiantes ont été réalisés sur un pont dégradé se trouvant dans la wilaya de Tipaza en Algérie avant et après sa réparation. ABSTRACT. Algeria has more than 8000 bridge with 55% as road bridges and 25% requiring repair or strengthening. The application of the repair techniques like jacketing external prestress or composites permit to the structure to regain its mechanical performance. In most cases, the repair is not assured, as the follow-up of behavior and quality control are not applied. This paper presents an approach of an experimental follow-up of the behaviour of reinforced concrete bridge beams made of strengthened by carbon fibres composites. Ambient vibrations tests were applied on a deteriorated bridge located in the region of Tipaza in Algeria before and after being repaired. MOTS-CLÉS : Composite, fibres de carbone, renforcement, poutres, vibrations ambiantes, béton. KEYWORDS: Composite, carbon fibbers, strengthening, beams, ambient vibrations, concrete.

2 7 ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris2 1. Introduction Le patrimoine Algérien d ouvrages d art (MTP, 2006) est composé d un nombre significatif de structures à réhabiliter, puisque plus de 40% de ces ouvrages ont plus de 40 ans et nécessitent des réparations à court et moyen termes d une part, et des essais d évaluation pour tester l état des matériaux et par conséquent situer les endommagements à n importe quel endroit de la structure, d autre part. Parmi les essais d évaluation, ceux appelées contrôles non destructifs (CND) à évaluations locales et globales. En effet, il existe plusieurs techniques de contrôles non destructifs, celles qui sont locales et qui donnent des renseignements réduits et seulement dans la zone contrôlée, tels que les essais par ultrasons, et celles qui sont générales et peuvent donner des réponses globales de la structure testée comme les essais dynamiques à vibrations ambiantes ou forcées. On présentera dans cet article, en premier lieu, les techniques de réparation appliquées (injection des fissures, mortiers de réparation, matériaux composites) sur des éléments porteurs d un pont ancien en béton armé, où on présentera les phases d intervention, après diagnostic et expertise, le rôle joué par chaque technique pour la préservation de cet ouvrage. En second lieu, on mettra le point sur les différents essais appliqués sur ce pont, avant et après sa réparation, en précisant les différentes améliorations apportées sur les éléments structuraux. 2. Description du cas d étude et diagnostic Le pont en question est un passage supérieur sur oued Oumazer se trouvant à Cherchell dans la wilaya de Tipaza, distante de 80km à l ouest d Alger, se localisant dans la zone III caractérisée par des fortes activités sismiques (CGS, 2003). L ouvrage est un pont hyperstatique à trois travées, le tablier est constitué de quatre poutres maîtresses en béton armé, à inertie variable, liaisonnées par des entretoises et longrines surmontées d une dalle en béton armé, tandis que l infrastructure est composée de deux piles, qui sont constituées de quatre poteaux liaisonnés par voiles, et de deux sommiers sous forme d appuis simples, qui sont en béton armé (Figure 1). Les caractéristiques géométriques du pont sont : - Longueur totale 70,00m - Longueur de la travée d accès 15,00m - La travée intermédiaire 40,00m - Longueur de la chaussée 6,00m - Longueur des trottoirs 1,00m - Hauteur de la pile 10,00m

3 3 7ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris Figure 1. Vue d ensemble du pont Les détériorations sont visibles sur les éléments du tablier, avec des éclatements du béton d enrobage, corrosion des armatures et des fissures plus ou moins profondes sur les éléments structuraux du tablier (Figure 2). Au nivaux de l infrastructure, les piles présentent des anomalies qui se résument en la dégradation totale des bétons et apparition des aciers complètement corrodés avec diminution de leur section. Cela est dû probablement aux attaques des eaux salées du milieu marin entraînant des éclatements du béton et une perte de masse et exposant ainsi les aciers à des corrosions et une perte alarmante de la section résistante. Le diagnostic révèle aussi des fissures inclinées à 45 au niveau des abouts des poutres maîtresses qui traduisent l accroissement des contraintes de cisaillement dues essentiellement à l augmentation du trafic routier (SAPTA,2004). En outre, l analyse des désordres a permis de dégager des solutions dont le phasage d interventions est comme suit : - Chemisage armé des piles ; Réparation des bétons dénués Injection des fissures par la résine époxydiques ; Réparation des poutres par collage de tissus de fibres de carbone Figure 2. Etat du béton dégradé d une pile du pont 3. Contrôle et suivi de comportement

4 7 ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris4 3.1 L injection des fissures et tests ultrasoniques sur béton Pour colmater et réparer les fissures des poutres endommagées, on utilise la résine Sikadur30 Colle et le SikaDur 52 injection. L injection est assurée par le SikaDur 52, qui est une résine époxydique à deux composants A (résine) et B (durcisseur sans solvant, de couleur jaune ambré de densité 1.2), tandis que le calfeutrement des fissures après injection est assuré par la résine Sikadur 30 colle. Afin d'apprécier la qualité du béton de l'ouvrage et de vérifier l'opération de colmatage des fissures, des essais à l'ultrason ont été réalisé avant et après sa réparation (Figure 3). Figure 3. Mesures ultrasoniques au droit d une fissure Le principe consiste à mesurer la vitesse du son dans le béton (la vitesse augmente avec le module d'élasticité, donc la résistance du béton) (Neville, 1982). Le tableau ci après illustre les valeurs des vitesses de propagation mesurées sur le béton de la poutre fissurée du tablier du pont en question, avec quatre distances (deux avant la fissure et deux après la fissure). Tableau 1. Vitesses de propagation ultrasonique sur une poutre Distance (m) Vitesse avant injection (m/s) Vitesse après injection (m/s) Le tableau 1 montre une nette amélioration des vitesses après injection de la résine. L injection des fissures par résine époxydique améliore l homogénéité du béton à presque 70 % et par conséquence contribue à sa durabilité. Cependant, il faut

5 5 7 ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris noter que les vitesses mesurées restent faibles et montrent un béton de qualité douteuse à mauvaise. Par conséquent, il est nécessaire de renforcer davantage les éléments porteurs structuraux (poutres et appuis) par des matériaux composites. 3.2 Application des matériaux composites Afin de redonner aux éléments détériorés leur portance initiale, il est impérativement nécessaire de choisir de bons matériaux d ajout en performance et efficacité pour que l élément renforcé puisse supporter les charges et surcharges du trafic. Les techniques de réparation utilisées sont le chemisage en béton armé et le renforcement par matériaux composites. Le béton, avec armatures, est utilisé pour le chemisage des appuis (piles), le tissu unidirectionnel Sika wrap est appliqué sur les faces latérales des poutres principales pour reprendre l effort de cisaillement, tandis que le stratifié de fibres de carbone Sika carbodur est appliqué sur les faces inférieures de ces mêmes poutres pour reprendre l effet de traction. Le tableau ci après résume tous les matériaux utilisés et leurs caractéristiques. Tableau 3. Caractéristiques des matériaux des composites utilisés Matériaux utilisés Module E (GPa) Densité ft (MPa) fc (MPa) Allongement à la rupture % Epaisseur (mm) Sikadur Sika wrap Sika Carbodur Contrôle non destructif par vibration ambiante Tests dynamiques sur les ponts Les tests dynamiques sur les ouvrages d art sont des techniques très connus et vastement utilisés ces dernières années. Ce sont des tests de contrôles non destructifs (CND) composés de deux principales catégories : celles appelées test de mesure d entrée, appliquées pour les grands et ponts stratégiques comme les ouvrages haubanés, les ponts suspendus, les grands ponts hyperstatiques ; et celles appelées à vibrations ambiantes, qui s appliquent à des ponts de moyennes et courts longueurs

6 7ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris6 (Ferrar etal, 1999). Dans les excitations ambiantes sur ponts, il y a celles effectuées par tests de véhicules, par tests de trafics, ou par tests des vents et vagues Test par vibrations ambiante sur pont Notre cas d étude consiste à faire des vibrations ambiantes sur pont cité cidessus, c'est-à-dire effectuer des enregistrements de bruis de fond à l aide d une station d enregistrement CityShark II-6, et de quatre sismomètres Lennartz 5 secondes. La station CityShark peut enregistrer simultanément les signaux de 6 capteurs. Pour cette étude, seuls quatre capteurs ont été utilisés (Figure 5). Ces capteurs sont équipés de 3 composantes : une composante verticale, et deux composantes horizontales perpendiculaires entre elles. Chaque durée des enregistrements est de 15 minutes. Figures 4 et 5 : Station City Shark et Sismomètre Lennartz Les mesures des fréquences propres ont été effectuées sur le pont avant et après application des fibres de carbone lors de sa réparation. L objet de ce test dynamique est de déterminer les modes de vibration les plus prépondérantes d une part et de voir l influence des composites plaqués sur les poutres pour le comportement du pont d autre part. L emplacement des sismomètres (Figure 6) était choisi sur la base des résultats trouvés (positions plus défavorables), après modélisation du pont par le logiciel SAP2000. On place tout d abord deux sismomètres C1 et C2 sur les deux trottoirs et à l axe transversal du pont, puis on place deux autres sismomètres C3 et C4 distants de six mètres des deux premiers. Après l enregistrement des résultats obtenus, on déplace les sismomètres C3 et C4 d une manière équidistante (distance six mètres) et ainsi de suite. Apres avoir achevé les mesures de la partie longitudinale gauche, on refait de la même manière pour celle de la partie droite. Deux autres mesures sont prises aux fonds des deux piles.

7 7 7 ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris C2 C4 C1 C3 C3 C4 Figure 6. Localisation des sismomètres sur le pont et les pieds des appuis Les valeurs obtenues par les quatre capteurs C1, C2, C3 et C4, avec les différentes positions sur la chaussée de part et d autres de l axe transversal du pont et celles des fonds des piles, nous donnent des courbes d amplitudes spectrales en fonction de la fréquence, ce qui nous permet d avoir les pics de fréquence dont les valeurs sont illustrées dans les tableaux ci après. - Pics principaux verticaux : Quelque soit les positions des capteurs C3 et C4, les mesures obtenues sont de l ordre des valeurs suivantes : Tableau 4. Valeurs des fréquences avant et après renforcement du pont L enregistrement Capteur 1 Capteur 2 Capteur 3 Capteur 4 Avant réparation Après réparation Pics principaux transversaux

8 7 ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris8 Quelque soit les positions des capteurs C3 et C4, les mesures obtenues sont de l ordre des marges suivantes : Tableau 5. Valeurs des fréquences avant et après renforcement du pont L enregistrement Capteur 1 Capteur 2 Capteur 3 Capteur 4 Avant réparation Après réparation Contenus spectraux des fonctions de transfert : Les valeurs avant et après renforcement (applications des matériaux composites) sur le pont sont quasi identiques. Tableau 6. Valeurs des fréquences des sismomètres du fond des piles Localisation de l'enregistrement f 0 transversal f 0 longitudinal f 0 vertical Pile gauche Pile droite Les valeurs obtenus dans ces tableaux montrent que les modes prépondérantes sont au nombre de cinq, avec les valeurs des fréquences suivantes : - Mode de vibration longitudinal des piles de fréquence propre de 3.88 Hz ; - Mode de vibration transversal des piles de fréquence propre de 4.48 Hz ; - Mode de vibration transversal du tablier de fréquence propre de 4.51 Hz ; - Mode de vibration vertical du tablier (fléchissement) de fréquence 4.90Hz ; - Mode de vibration vertical des piles de fréquence propre de 10.5 Hz. 5. Conclusions Les tests de contrôle non destructif permettent d évaluer le comportement des éléments structuraux du pont (poutres et piles). Localement, et pour des zones définies, les essais ultrasoniques nous ont permit de s'assurer de l'opération d'injection des fissures, tandis que globalement, les résultats des tests par vibrations ambiantes sur le pont renforcé par matériaux composites nous ont montré que ces derniers n influent pas sur les modes et fréquences propres de l ouvrage, mais

9 9 7 ème Colloque National AFPS 2007 Ecole Centrale Paris diminuent sensiblement l amplitude des vibrations et absorbent une grande quantité de ces derniers. Un travail expérimental, plus poussé, est recommandé pour la détermination des coefficients d amortissement afin d évaluer le comportement du pont avant et après son renforcement par les matériaux composites, car l un des objectifs principal d une évaluation dynamique est en premier lieu la détermination des caractéristiques modales de la structure. Cela inclut les fréquences propres, les coefficients d amortissement et les déformées propres. 6. Bibliographie Centre de Génie Parasismique (CGS), «Règlement Parasismique Algérien version 2003», Alger, Algérie. Ferrar, C.R, Duffey T.A, Conwell P.J and. Doebling S.W., «Excitation methods for bridge structures», 17 th international Analysis Conference Kissimmee, FL, Ministère des Travaux Publics (MTP), «Statistiques des Ouvrages d art», Octobre 2006, Alger, Algérie. Neville, A., «Properties of concrete», 3rd edition, Pitman, England, Société Algérienne des Ponts et Travaux d art (SAPTA), «Rapport d expertise des ouvrages d art», Alger, Algérie 2004.