EP0837201A1 - Procédé de renforcement d'un ouvrage de construction, et ouvrage ainsi renforcé - Google Patents

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EP0837201A1
EP0837201A1 EP97402420A EP97402420A EP0837201A1 EP 0837201 A1 EP0837201 A1 EP 0837201A1 EP 97402420 A EP97402420 A EP 97402420A EP 97402420 A EP97402420 A EP 97402420A EP 0837201 A1 EP0837201 A1 EP 0837201A1
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reinforcement
fibers
hole
resin
wick
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Christian Tourneur
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Freyssinet International STUP SA
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    • E04G23/02—Repairing, e.g. filling cracks; Restoring; Altering; Enlarging
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    • E04G2023/0262—Devices specifically adapted for anchoring the fiber reinforced plastic elements, e.g. to avoid peeling off

Definitions

  • the present invention relates to the field of reinforcement structural of construction works.
  • the reinforcement consists of a steel sheet bonded to concrete after preparation of the bonding surface.
  • This classic process has followed various developments taking account in particular of technological developments in materials, and more particularly of the evolution of the materials of replacement of the sheet metal, which frequently poses problems of implementation and requires provisions for fight corrosion.
  • FIG. 1 shows a schematic section a reinforced concrete beam 8 resting on two supports 9 neighbors of its ends, and the underside of which comprises, between these two supports 9, a bonded reinforcement 10 resistant to traction in the longitudinal direction of the beam.
  • the glued reinforcement 10 improves the behavior of beam 8 in response to an effort F tending to cause it to bend between its two supports 9.
  • this rupture generally occurs in "covering" concrete, i.e. in the thickness of unreinforced concrete located between the surface provided with the glued reinforcement 10 and the Underlying reinforcing bars 11.
  • the fracture 12 starts in the vicinity of one end of the bonded reinforcement 10 under the effect of the shearing force E resulting from the reaction R of one of the supports 9 and of the tensile force T that reinforcement 10 exerts, then propagates along the irons of reinforcement 11.
  • it is the concrete of the structure who yields, in a part where he does not work in compression (its desired mode of stress) but in shear.
  • US-A-5218810 describes a composite reinforcement which does not adhere not directly to the support against which it is applied.
  • This support is a columnar concrete element, which the composite reinforcement surrounds to form a shell consistent protection.
  • W095 / 34724 he it has been proposed to extend the application of such reinforcements to walls poorly adherent. The shell effect being topologically impossible, the reinforcement on the wall is held by anchors installed using holes drilled in the wall, these anchors can be covered by the reinforcement.
  • the object of the present invention is to improve the reinforcements of works by means of glued reinforcements eliminating much of the areas of weakness may remain.
  • the invention thus provides a method of strengthening a construction work, as set out in the claim 1.
  • the wick installed creates a kind of frame between the surface provided with the bonded reinforcement and the other reinforced zone.
  • the installation of these reinforcing bits is easy as soon as when the surface is accessible to stick the reinforcement there.
  • the reinforcement does not have to be glued to an element such as a beam whose sides are accessible.
  • the fiber wick has the advantage that it is easily folded down and / or spread on the surface before covering it by the bonded reinforcement. This ensures good transmission of efforts while avoiding forming significant projections on the reinforced surface.
  • the fibers of the wick are preferably made of carbon. It is however possible to use glass fibers or synthetic fibers, or even metallic fibers (piano string).
  • the bonded reinforcement can in particular be based on sheet metal metallic or composite material.
  • this reinforcement consists of a strip or a carbon fiber fabric that is glued to the surface by coating the surface of a resin in the fluid state capable of polymerizing at room temperature and then applying the tape or the fabric on the coated surface for the resin to permeate fibers and ensures bonding.
  • the hole receiving the wick can then be filled with the same resin as that with which we coat the surface.
  • a second aspect of the invention relates to a work of construction as set out in claim 8.
  • FIGs 2 and 3 illustrate the application of the invention to a reinforced concrete floor slab 15 resting on support elements 16, which may be walls, posts or the like. Between these support elements 16, including one only is shown in Figure 2, it is expected to garnish the lower surface 17 of the slab 15 of a bonded reinforcement 18.
  • Reinforcement 18 is intended to resist traction following a main direction A going from an element of support 16 to another.
  • the reinforcement 18 preferably consists in a band of sized carbon fibers oriented in parallel in direction A, or in a fabric of fibers of carbon whose chain threads are oriented in the direction A, the carbon fibers being impregnated with a resin hardening at room temperature.
  • the installation of the reinforcement 18 can in particular be carried out as follows: a resin epcxy, able to polymerize at room temperature, is coated in the liquid state on the surface 17; the tape or fabric is then applied to the coated surface so that the resin impregnates the fibers and ensures bonding.
  • the tape or fabric can be applied by simple masking, not requiring not the application of prolonged pressure.
  • the resin used is for example the epoxy resin two-component consisting on the one hand of the base resin of mark "CECA XEP 3935 / A", and on the other hand by the hardener "CECA XEP 2919 / B” brand, these two components being manufactured and marketed by CECA S.A., 12 place de Iris, La Défense 2, Cedex 54, 92062 PARIS LA DEFENSE (FRANCE).
  • This resin has, when applied to fluid state, viscosity at room temperature included between 1,000 and 10,000 mPa.s.
  • the sized carbon fibers constituting the strip or the fabric 18 have a breaking strength in traction which is greater than 1500 MPa, and an elastic modulus between 200 and 400 GPa.
  • wicks of fibers 23, 24 threaded in holes 25, 26 drilled between surface 17 and zone 20.
  • the fibers of each wick 23, 24 are impregnated with a resin 27 which fills the hole 25, 26.
  • the wicks 23, 24 preferably consist of fibers of sized carbon which may be of the same nature as those of the fabric 18.
  • the resin 27 whose holes are filled can also be of the same type as that used for impregnation and gluing the fabric 18.
  • Figure 4 illustrates the installation of such a wick fiber.
  • a first step we make the piercing of hole 26. Then apply resin 27 in the state fluid by filling holes 26 and coating the surface 17. The wick 24 is then threaded into the hole 26, leaving protrude an end portion 28 of this wick outside the surface 17. A point of glue can be provided at the fiber end of wick 24 to facilitate insertion of that wick in its hole.
  • the transmission forces between the reinforced zone 20 and the bonded reinforcement 18 is best when the fibers of the ends 28 are spread out in a fan on both sides of the principal direction A as shown in figure 3. We then apply the reinforcement fabric 18, we roll up and let the resin.
  • Sizing of holes and wicks of fibers, and their distribution on the reinforced surface 17 will generally be defined on the basis of the structural calculations carried out by the design office.
  • These connecting means could simply consist of nails or the like. But they are preferably also constituted by locks of fibers 24 embedded in the resin 27 and engaged in holes 26 drilled transversely to the surface 17, as illustrated by Figures 2 to 4. In these figures, the holes 26 are shown perpendicular to surface 17, but we will understand that they could also be tilted in the same sense that the holes 25 provided at the ends.

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Abstract

Avant de coller un renfort (18) sur une surface (17) de l'ouvrage en béton armé, on perce au moins un trou (25,26) entre cette surface et une autre zone (20) de l'ouvrage renforcée par des fers d'armature du béton. On remplit ce trou avec de la résine et avec une mèche de fibres (23,24) dont on laisse dépasser une portion d'extrémité (28) du côté de la surface. Le renfort (18) est ensuite collé par dessus la portion d'extrémité de la mèche de fibres. L'agencement des mèches limite les risques de rupture au niveau du béton de recouvrement, situé entre les fers d'armature et la surface. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne le domaine du renforcement structural d'ouvrages de construction.
Dans ce domaine, il est usuel de coller des renforts au moyen de résines appropriées sur les parties d'un ouvrage à renforcer.
Dans un procédé classique couramment appliqué, dit procédé Lhermite, le renfort consiste en une tôle d'acier collée sur du béton après préparation de la surface de collage. Ce procédé classique a suivi diverses évolutions tenant compte notamment de l'évolution technologie des matériaux, et plus particulièrement de l'évolution des matériaux de substitution de la tôle, laquelle pose fréquemment des problèmes de mise en oeuvre et nécessite des dispositions pour combattre la corrosion.
C'est ainsi que l'on a vu apparaítre ces dernières années des techniques de renforcement à base de matériaux composites sous forme de plaques collées (voir par exemple FR-A-2 594 871), puis sous forme de fibres collées (voir US-A-5 308 430) et de tissus collés. Ces derniers types de renfort présentent de nombreux avantages, notamment leur commodité de mise en oeuvre et leur aptitude à s'appliquer sur des surfaces de formes diverses.
Ces différents types de renfort collés améliorent très sensiblement le comportement dynamique de l'ouvrage renforcé. Il est d'ailleurs très rare d'observer une rupture du renfort lui-même. La figure 1 montre une coupe schématique d'une poutre en béton armé 8 reposant sur deux appuis 9 voisins de ses extrémités, et dont la face inférieure comporte, entre ces deux appuis 9, un renfort collé 10 résistant à la traction suivant la direction longitudinale de la poutre. Le renfort collé 10 améliore le comportement de la poutre 8 en réponse à un effort F tendant à la faire fléchir entre ses deux appuis 9. Lorsque l'effort F est suffisamment important pour provoquer une rupture de la structure de la poutre, cette rupture se produit généralement dans le béton "de recouvrement", c'est-à-dire dans l'épaisseur de béton non armé située entre la surface pourvue du renfort collé 10 et les fers d'armature sous-jacents 11. Typiquement, la rupture 12 s'amorce au voisinage de l'une des extrémités du renfort collé 10 sous l'effet de l'effort tranchant E résultant de la réaction R de l'un des appuis 9 et de l'effort de traction T qu'exerce le renfort 10, puis se propage le long des fers d'armature 11. En d'autres termes, c'est le béton de l'ouvrage qui cède, dans une partie où il ne travaille pas en compression (son mode de sollicitation souhaité) mais en cisaillement.
En conséquence, on n'exploite pas pleinement les propriétés du renfort collé.
Pour augmenter l'effort de rupture d'une poutre telle que celle de la figure 1 renforcée par une tôle métallique, il a été proposé de coller d'autres morceaux de tôle, appelés verrous, sur les flancs de la poutre, qui procurent une résistance à l'effort tranchant E. Cette méthode a l'inconvénient de n'être applicable que dans le cas d'une poutre dont les flancs sont accessibles. Dans la pratique, des renforts sont souvent collés sur des dalles ou des murs, et il est alors impossible de placer des verrous.
US-A-5218810 décrit un renfort composite qui n'adhère pas directement au support contre lequel il est appliqué. Ce support est un élément en béton en forme de colonne, que le renfort composite vient ceinturer pour former une coquille cohérente de protection. Dans le document W095/34724, il a été proposé d'étendre à des murs l'application de tels renforts peu adhérents. L'effet de coquille étant impossible topologiquement, la tenue du renfort sur le mur est assurée par des ancrages installés à l'aide de trous percés dans le mur, ces ancrages pouvant être recouverts par le renfort.
La présente invention a pour but d'améliorer les renforcements d'ouvrages au moyen de renforts collés en éliminant une grande partie des zones de faiblesse pouvant subsister.
L'invention propose ainsi un procédé de renforcement d'un ouvrage de construction, tel qu'énoncé dans la revendication 1.
La mèche installée réalise une sorte d'armature entre la surface pourvue du renfort collé et l'autre zone renforcée. La mise en place de ces mèches d'armature est aisée dès lors que la surface est accessible pour y coller le renfort. Il n'est pas nécessaire que le renfort soit collé sur un élément tel qu'une poutre dont les flancs sont accessibles.
La mèche de fibres a l'avantage qu'elle est aisément rabattue et/ou étalée sur la surface avant de la recouvrir par le renfort collé. Ceci assure une bonne transmission des efforts tout en évitant de former des saillies importantes sur la surface renforcée.
On améliore ainsi la résistance à la rupture du béton de recouvrement des fers d'armature.
Les fibres de la mèche sont de préférence en carbone. Il est toutefois possible d'utiliser des fibres de verre ou des fibres synthétiques, ou même des fibres métalliques (corde à piano).
Le renfort collé peut notamment être à base de tôle métallique ou en matériau composite.
De préférence, ce renfort consiste en une bande ou un tissu de fibres de carbone qu'on colle sur la surface en enduisant la surface d'une résine à l'état fluide apte à polymériser à température ambiante, puis en appliquant la bande ou le tissu sur la surface enduite pour que la résine imprègne les fibres et assure le collage. Le trou recevant la mèche peut alors être rempli avec la même résine que celle avec laquelle on enduit la surface. Ces dispositions simplifient au maximum la mise en oeuvre du procédé.
Un second aspect de l'invention se rapporte à un ouvrage de construction tel qu'énoncé dans la revendication 8.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaítront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1, précédemment discutée, est une vue schématique d'un poutre en béton armé pourvue d'un renfort collé et se rompant sous l'effet d'un effort de flexion ;
  • la figure 2 est une vue en coupe et en élévation, suivant le plan II-II indiqué sur la figure 3, d'une portion d'ouvrage en béton armé renforcée conformément à la présente invention ; et
  • la figure 3 est une vue de dessous de la portion d'ouvrage de la figure 2 ;
  • la figure 4 est une vue schématique illustrant la mise en place d'une mèche de fibres selon l'invention.
Les figures 2 et 3 illustrent l'application de l'invention à une dalle de plancher 15 en béton armé reposant sur des éléments de soutien 16, pouvant être des murs, des poteaux ou analogues. Entre ces éléments de soutien 16, dont un seul est représenté sur la figure 2, il est prévu de garnir la surface inférieure 17 de la dalle 15 d'un renfort collé 18.
Le renfort 18 est destiné à résister à la traction suivant une direction principale A allant d'un élément de soutien 16 à un autre. Le renfort 18 consiste de préférence en une bande de fibres de carbone ensimées orientées parallèlement à la direction A, ou encore en un tissu de fibres de carbone dont les fils de chaíne sont orientés selon la direction A, les fibres de carbone étant imprégnées d'une résine durcissant à température ambiante. La pose du renfort 18 peut notamment s'effectuer de la manière suivante : une résine épcxy, apte à polymériser à température ambiante, est enduite à l'état liquide sur la surface 17 ; la bande ou le tissu est ensuite appliqué sur la surface enduite pour que la résine imprègne les fibres et assure le collage. La bande ou le tissu peut être appliqué par un simple marouflage, ne nécessitant pas l'application d'une pression prolongée.
La résine utilisée est par exemple la résine époxy bi-composants constituée d'une part par la résine de base de marque "CECA XEP 3935/A", et d'autre part par le durcisseur de marque "CECA XEP 2919/B", ces deux composants étant fabriqués et commercialisés par la société CECA S.A., 12 place de l'Iris, La Défense 2, Cedex 54, 92062 PARIS LA DEFENSE (FRANCE).
Cette résine présente, lors de son application à l'état fluide, une viscosité à température ambiante comprise entre 1 000 et 10 000 mPa.s.
Cette résine, une fois durcie, présente :
  • une résistance au cisaillement compatible avec celle du matériau constituant l'ouvrage,
  • une résistance à la rupture en traction comprise entre 5 et 100 MPa, avec un allongement à la rupture compris entre 0,5 et 10%,
  • et une résistance à la rupture en compression comprise entre 5 et 100 MPa, avec un raccourcissement à la rupture compris entre 0,5 et 10%.
Les fibres de carbone ensimées constituant la bande ou le tissu 18 présentent une résistance à la rupture en traction qui est supérieure à 1 500 MPa, et un module élastique compris entre 200 et 400 GPa.
Pour assurer un renforcement du béton de recouvrement 19 situé entre la surface 17 et la zone 20 du volume de la dalle 15 comportant les fers d'armature 21, il est prévu des mèches de fibres 23, 24 enfilées dans des trous 25, 26 percés entre la surface 17 et la zone 20. Les fibres de chaque mèche 23, 24 sont imprégnées d'une résine 27 qui remplit le trou 25, 26.
Les mèches 23, 24 consistent de préférence en des fibres de carbone ensimées pouvant être de même nature que celles du tissu 18. La résine 27 dont les trous sont remplis peut également être du même type que celle servant à l'imprégnation et au collage du tissu 18.
La figure 4 illustre la mise en place d'une telle mèche de fibres. Dans une première étape, on réalise le percement du trou 26. On applique ensuite la résine 27 à l'état fluide en emplissant les trous 26 et en en enduisant la surface 17. On enfile ensuite la mèche 24 dans le trou 26, en laissant dépasser une portion d'extrémité 28 de cette mèche hors de la surface 17. On peut prévoir un point de colle au bout des fibres de la mèche 24 pour faciliter l'introduction de cette mèche dans son trou. On désunit ensuite les fibres de la mèche 24 dans la portion 28 dépassant de la surface 17, puis on rabat ces fibres sur la surface 17 dans le film de résine, en les étalant le long de la surface. La transmission des efforts entre la zone renforcée 20 et le renfort collé 18 est la meilleure lorsque les fibres des extrémités 28 sont étalées en éventail de part et d'autre de la direction principale A ainsi que le montre la figure 3. On applique ensuite le tissu de renfort 18, on maroufle et on laisse prendre la résine.
Le dimensionnement des trous et des mèches de fibres, et leur répartition sur la surface renforcée 17 seront en général définis sur la base des calculs de structure réalisés par le bureau d'études.
Il est généralement judicieux de percer un trou relativement profond 23 dans une région de la surface 17 qui sera recouverte par le renfort 18 et adjacente à un bord 29 de ce renfort. Ce trou 23 est percé dans une direction oblique par rapport à la surface 17. Depuis la surface 17 vers le fond du trou 23, ce trou s'éloigne du centre du renfort 18 ainsi que le montre la figure 2. La direction de percement du trou 25 et la direction principale A sont dans le plan de la figure 2 qui est perpendiculaire à la surface 17. L'angle de percement de ce trou 25 peut être choisi de façon que le trou 25 soit sensiblement perpendiculaire à l'effort tranchant s'exerçant au niveau du bord 29 du renfort collé (cf figure 1). La mèche 23 réalise ainsi une sorte de continuité de l'effort de traction entre le renfort collé 18 et les fers d'armature 21 du béton.
Il est prévu d'autres moyens de liaison entre les fers d'armature du béton et le renfort collé 18, répartis sur l'étendue du renfort collé 18. Ces moyens de liaison pourraient consister simplement en des clous ou analogue. Mais ils sont de préférence constitués également par des mèches de fibres 24 noyées dans la résine 27 et engagées dans des trous 26 percés transversalement à la surface 17, comme illustré par les figures 2 à 4. Sur ces figures, les trous 26 sont représentés perpendiculaires à la surface 17, mais on comprendra qu'ils pourraient également être inclinés dans le même sens que les trous 25 prévus aux extrémités.
Il est possible d'exercer sur le tissu 18 une précontrainte par mise en tension selon la direction A. La tension est appliquée à l'une ou aux deux extrémités du tissu et maintenue jusqu'au durcissement complet de la résine de collage. Après relâchement de la précontrainte, le renfort collé exerce sur la structure des efforts actifs à l'encontre des charges sollicitantes.

Claims (14)

  1. Procédé de renforcement d'un ouvrage de construction (15) en béton armé, dans lequel on colle un renfort (18) sur au moins une surface (17) de l'ouvrage, caractérisé en ce qu'avant de coller le renfort, on perce au moins un trou (25) entre ladite surface et une autre zone renforcée (20) de l'ouvrage consistant en une zone (20) où se trouvent des fers d'armature (21) du béton, et on remplit ledit trou avec de la résine (27) et avec une mèche de fibres (23) dont on laisse dépasser une portion d'extrémité (28) du côté de ladite surface, le renfort étant ensuite collé par dessus ladite portion d'extrémité de la mèche de fibres, le trou (25) étant percé dans une région de ladite surface (17) qui sera recouverte par le renfort collé (18) et adjacente à un bord (29) de ce renfort, ledit trou étant percé transversalement à ladite surface (17) vers ladite autre zone dans une direction oblique par rapport à ladite surface de manière à s'éloigner du centre du renfort.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on désunit les fibres de la mèche (23) dans ladite portion d'extrémité (28), et on étale ces fibres sur ladite surface (17) avant de la recouvrir par le renfort collé (18).
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le renfort (18) est agencé pour résister à la traction suivant une direction principale (A) de ladite surface (17) et dans lequel les fibres de la portion d'extrémité (28) de la mèche (23) sont étalées en éventail de part et d'autre de ladite direction principale.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le renfort (18) consiste en une bande ou un tissu de fibres de carbone qu'on colle en enduisant la surface (17) d'une résine à l'état fluide apte à polymériser à température ambiante, puis en appliquant la bande ou le tissu sur la surface enduite pour que la résine imprègne les fibres et assure le collage, et dans lequel on emplit le trou (25) avec la même résine (27) que celle avec laquelle on enduit la surface.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le renfort (18) est agencé pour résister à la traction suivant une direction principale (A) de ladite surface (17) et dans lequel la direction de percement du trou (25) et ladite direction principale sont dans un plan sensiblement perpendiculaire à ladite surface.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on prévoit des moyens de liaison (24) entre les fers d'armature (21) du béton et le renfort collé (18), répartis sur l'étendue du renfort collé.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les moyens de liaison consistent également en des mèches (24) de fibres noyées dans la résine (27) et engagées dans des trous transversaux (26) percés dans ladite surface (17).
  8. Ouvrage de construction en béton armé, ayant au moins une surface (17) pourvue d'un renfort collé (18), caractérisé en ce qu'au moins une mèche de fibres (23) s'étend entre ladite surface et une autre zone renforcée (20) de l'ouvrage, dans un trou (25) rempli de résine (27), la mèche de fibre ayant une portion d'extrémité (28) qui dépasse sur ladite surface et par dessus laquelle est collé le renfort, dans lequel ladite autre zone renforcée de l'ouvrage est une zone (20) où se trouvent des fers d'armature (21) du béton, le trou (25) étant percé transversalement à ladite surface (17) vers ladite autre zone, et dans lequel le trou (25) débouche sur ladite surface (17) dans une région adjacente à un bord (29) du renfort, ledit trou étant percé dans une direction oblique par rapport à la surface de manière à s'éloigner du centre de renfort.
  9. Ouvrage de construction selon la revendication 8, dans lequel les fibres de la mèche (23), dans sa portion d'extrémité (28), sont étalées sur ladite surface (17).
  10. Ouvrage de construction selon la revendication 9, dans lequel le renfort (18) est agencé pour résister à la traction suivant une direction principale (A) de ladite surface (17), et dans lequel les fibres de la portion d'extrémité (28) de la mèche sont étalées en éventail de part et d'autre de ladite direction principale.
  11. Ouvrage de construction selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel ledit renfort (18) consiste en une bande ou un tissu de fibres de carbone imprégnées d'une résine (27) qui assure le collage du tissu sur la surface (17) de l'ouvrage et qui est de même composition que la résine dont le trou (25) est rempli.
  12. Ouvrage de construction en béton armé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel, le renfort (18) est agencé pour résister à la traction suivant une direction principale (A) de ladite surface (17), et dans lequel la direction de percement du trou et ladite direction principale sont dans un plan sensiblement perpendiculaire à ladite surface.
  13. Ouvrage de construction en béton armé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, comportant en outre des moyens de liaison (24) entre les fers d'armature (21) du béton et le renfort collé (18), répartis sur l'étendue du renfort collé.
  14. Ouvrage de construction en béton armé selon la revendication 13, dans lequel les moyens de liaison consistent également en des mèches de fibres (24) noyées dans la résine (27) et engagées dans des trous transversaux (26) percés dans ladite surface (17).
EP97402420A 1996-10-16 1997-10-14 Procédé de renforcement d'un ouvrage de construction, et ouvrage ainsi renforcé Withdrawn EP0837201A1 (fr)

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