EP0837202B1 - Procédé de renforcement d'un ouvrage de construction, et ouvrage ainsi renforcé - Google Patents

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EP0837202B1
EP0837202B1 EP97402421A EP97402421A EP0837202B1 EP 0837202 B1 EP0837202 B1 EP 0837202B1 EP 97402421 A EP97402421 A EP 97402421A EP 97402421 A EP97402421 A EP 97402421A EP 0837202 B1 EP0837202 B1 EP 0837202B1
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reinforcement
fibres
resin
reinforcements
hole
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Freyssinet International STUP SA
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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 surface of bonding.
  • This classic process has followed various evolutions taking into account in particular the technological evolution of materials, and more particularly the evolution of materials replacement of the sheet metal, which frequently poses implementation problems and requires provisions to fight corrosion.
  • FIG. 1 shows a section schematic of a reinforced concrete beam 8 resting on two supports 9 neighbors of its ends, and whose lower face comprises, between these two supports 9, a bonded reinforcement 10 tensile strength in the longitudinal direction of the beam.
  • Glued reinforcement 10 improves behavior of the beam 8 in response to a force F tending to flex it between its two supports 9.
  • this rupture generally occurs in "overlay" concrete, that is to say in the thickness of unreinforced concrete located between the surface provided with bonded reinforcement 10 and the underlying reinforcing bars 11.
  • failure 12 begins in the vicinity from one end of the bonded reinforcement 10 under the effect of the shear force E resulting from the reaction R one of the supports 9 and 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 solicitation mode) but in shear.
  • US-A-5,218,810 describes a composite reinforcement which does not adhere directly to the support against which it is applied.
  • This support is a concrete element in the form of column, which the composite reinforcement comes to surround for form a coherent protective shell.
  • WO95 / 34724 it has been proposed to extend to walls the application of such weakly adherent reinforcements. The effect of shell is impossible topologically, holding the reinforcement on the wall is provided by installed anchors 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 reinforcements glued in eliminating much of the areas of weakness that can 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 glued reinforcement and the other zone strengthened.
  • the installation of these reinforcing bits is easy as soon as the surface is accessible to stick to it reinforcement.
  • the fiber wick has the advantage that it is easily folded down and / or spread on the surface before covering it by the glued reinforcement. This ensures good transmission efforts while avoiding forming protrusions important on the reinforced surface.
  • the fibers of the wick are preferably made of carbon. It is however possible to use fibers of glass or synthetic fibers, or even metallic fibers (piano string).
  • the bonded reinforcement may in particular be based on sheet metal or composite material.
  • this reinforcement consists of a strip or a carbon fiber fabric that is glued to the surface by coating the surface with a suitable fluid resin to polymerize at room temperature, then applying the tape or fabric on the coated surface so that the resin permeates the fibers and ensures bonding.
  • the hole receiving the wick can then be filled with the same resin than the one with which the surface is coated.
  • a second aspect of the invention relates to a construction work as set out in the claim 5.
  • FIGs 2 and 3 illustrate an example application a reinforcement glued to a floor slab 15 in reinforced concrete resting on support elements 16, capable of be walls, posts or the like. Between these support elements 16, only one of which is shown in the Figure 2, provision is made to line 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 into a band of oriented sized carbon fibers parallel to direction A, or in a fabric of carbon fibers whose warp threads are oriented in direction A, the carbon fibers being impregnated a resin that hardens at room temperature.
  • the installation of the reinforcement 18 can in particular be carried out in the manner following: an epoxy resin, capable of polymerizing 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 permeates the fibers and ensures bonding. Tape or fabric can be applied by a simple masking, not requiring 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 brand "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 l'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 fabric 18 have a breaking strength in tension which is greater than 1500 MPa, and a module elastic 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 sized carbon fibers which may be of the same kind as those of the fabric 18.
  • the resin 27 whose holes are filled can also be of the same type as that used to impregnation and bonding of the fabric 18.
  • Figure 4 illustrates the implementation of such fiber wick.
  • a first step we carry out the drilling of the hole 26.
  • the resin 27 is then applied to the fluid state by filling the holes 26 and coating it the surface 17.
  • the wick 24 is then threaded into the hole 26, leaving an end portion 28 of this wick out of the surface 17. It is possible to provide a point of glue at the end of the fibers of the wick 24 to facilitate the introduction of this wick into its hole.
  • Sizing of holes and wicks of fibers, and their distribution on the reinforced surface 17 will be generally defined on the basis of 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 strands of fibers 24 embedded in the resin 27 and engaged in holes 26 drilled transversely to the surface 17, as illustrated in figures 2 to 4. In these figures, the holes 26 are shown perpendicular to the surface 17, but it will be understood that they could also be inclined in the same direction as the holes 25 provided at the ends.
  • Figures 5 and 6 illustrate the application, according to the invention, a bonded reinforcement 32, which can be of the same type as before, on an irregular support consisting, in the example considered, of the underside a ribbed floor 30, the ribs 31 of which are transverse to the main direction A according to which the reinforcement must resist tensile forces.
  • the invention allows in this case to ensure a transmission of tensile forces between two reinforcements neighbors separated by a rib 31.
  • Each hole 34 intended to receive a wick of fibers 35 is then drilled through the rib 31, so flush with the two surfaces 33, 33a located in the extension of one another.
  • the wick of fibers 35 is introduced into this hole 34, leaving its two ends 36 on either side of the rib 31. Au level of these two ends 36, the fibers of the wick 34 are disunited and spread out on both sides of the management A as shown in figure 6, to ensure the better transmission of forces.

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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 technologique 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 sousjacents 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.
D'autre part, même si certains renforts, notamment ceux à base de tissus de fibres de carbone, peuvent s'appliquer sur des supports de formes diverses, il peut demeurer des obstacles gênant l'application continue de tels renforts, laissant ainsi subsister des faiblesses dans l'ouvrage renforcé. Dans le cas d'un bâtiment, on pourra avoir de telles discontinuités au niveau du passage d'une pièce à une autre à travers un mur, ou d'un étage à un autre à travers un plancher. De même, si la surface à renforcer présente des nervures transversales à une direction dans laquelle le renfort doit procurer une résistance à la traction, ces nervures ne sont généralement pas revêtues par le renfort étant donné qu'un drapage du renfort par dessus une telle nervure lui ferait perdre l'essentiel de ses propriétés de résistance à la traction.
US-A-5 218 810 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 WO95/34724, 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.
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 peut ainsi assurer des liaisons entre différentes portions d'un même ouvrage revêtues de renforts collés respectifs.
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 5.
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 équipée d'un renfort collé ;
  • 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 ;
  • la figure 5 est une vue en coupe, suivant le plan V-V indiqué sur la figure 6, d'un plancher nervuré renforcé conformément à la présente invention ; et
  • la figure 6 est une vue de dessous, en coupe suivant le plan VI-VI indiqué sur la figure 5, du plancher nervuré renforcé.
Les figures 2 et 3 illustrent un exemple d'application d'un renfort collé 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 époxy, 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.
Les figures 5 et 6 illustrent l'application, conforme à l'invention, d'un renfort collé 32, pouvant être du même type que précédemment, sur un support irrégulier consistant, dans l'exemple considéré, en la face inférieure d'un plancher nervuré 30, dont les nervures 31 sont transversales à la direction principale A selon laquelle le renfort doit résister aux efforts de traction.
On a ainsi non pas un mais plusieurs renforts 32, 32a, 32b... collés sur des surfaces successives du plancher 30 situées dans le prolongement les unes des autres, mais séparées les unes des autres par les nervures 31 qui gênent l'application continue d'un renfort unique.
L'invention permet dans ce cas d'assurer une transmission des efforts de traction entre deux renforts voisins séparés par une nervure 31.
Chaque trou 34 destiné à recevoir une mèche de fibres 35 est alors percé à travers la nervure 31, de manière à affleurer les deux surfaces 33, 33a situées dans le prolongement l'une de l'autre. La mèche de fibres 35 est introduite dans ce trou 34 en laissant dépasser ses deux extrémités 36 de part et d'autre de la nervure 31. Au niveau de ces deux extrémités 36, les fibres de la mèche 34 sont désunies et étalées de part et d'autre de la direction A comme le montre la figure 6, pour assurer la meilleure transmission des efforts.

Claims (8)

  1. Procédé de renforcement d'un ouvrage de construction (30), dans lequel on colle un premier renfort (32) sur une première surface (33) de l'ouvrage, et un second renfort (32a) sur une seconde surface (33a) de l'ouvrage, lesdites première et seconde surfaces étant situées dans le prolongement l'une de l'autre, mais séparées par un obstacle (31) gênant l'application continue d'un renfort unique, caractérisé en ce qu'avant de coller les renforts, on perce au moins un trou (34) à travers l'obstacle (31) entre lesdites première et seconde surfaces; et on remplit ledit trou avec de la résine (27) et avec une mèche de fibres (35) dont on laisse respectivement dépasser deux portions d'extrémités (36) du côté desdites première et seconde surfaces, chacun des renforts étant ensuite collé par dessus une portion d'extrémité respective de la mèche de fibres.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on désunit les fibres de la mèche (35) dans chacune de ses portions d'extrémités (36), et on étale ces fibres sur chacune des première et seconde surfaces (33,33a) avant de la recouvrir par son renfort collé (32,32a).
  3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel chaque renfort (32,32a) est agencé pour résister à la traction suivant une direction principale (A) desdites surfaces (33,33a), et dans lequel les fibres de chaque portion d'extrémité (36) de la mèche (35) 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 les renforts (32,32a) consistent en des bandes ou tissus de fibres de carbone qu'on colle en enduisant les surfaces (33,33a) d'une résine à l'état fluide apte à polymériser à température ambiante, puis en appliquant les bandes ou tissus sur les surfaces enduites pour que la résine imprègne les fibres et assure le collage, et dans lequel on remplit le trou (34) avec lamême résine (27) que celle avec laquelle on enduit les surfaces.
  5. Ouvrage de construction, ayant au moins des première et seconde surfaces (33,33a) respectivement pourvues de renforts collés (32,32a), lesdites première et seconde surfaces étant situées dans le prolongement l'une de l'autre, mais séparées par un obstacle (31) gênant l'application continue d'un renfort unique, caractérisé en ce qu'au moins une mèche de fibres (35) s'étend entre lesdites première et seconde surfaces dans un trou (34) rempli de résine (27), le trou (34) traversant l'obstacle entre lesdites première et seconde surfaces, la mèche de fibre ayant deux portions d'extrémité (36) qui dépassent respectivement sur lesdites première et seconde surfaces et par dessus lesquelles sont collés lesdits renforts (32,32a).
  6. Ouvrage de construction selon la revendication 5, dans lequel les fibres de la mèche (35), dans ses portions d'extrémité (36), sont étalées sur lesdites surfaces (33,33a).
  7. Ouvrage de construction selon la revendication 6, dans lequel les renforts (32,32a) sont agencés pour résister à la traction suivant une direction principale (A) desdites surfaces (33,33a), et dans lequel les fibres des portions d'extrémité (36) de la mèche sont étalées en éventail de part et d'autre de ladite direction principale.
  8. Ouvrage de construction selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel chacun desdits renforts (32,32a) 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 (33,33a) de l'ouvrage et qui est de même composition que la résine dont le trou (34) est rempli.
EP97402421A 1996-10-16 1997-10-14 Procédé de renforcement d'un ouvrage de construction, et ouvrage ainsi renforcé Expired - Lifetime EP0837202B1 (fr)

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FR9612619A FR2754556B1 (fr) 1996-10-16 1996-10-16 Procede de renforcement d'un ouvrage de construction, et ouvrage ainsi renforce
FR9612619 1996-10-16

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