Renforcement structurel de bâtiments et d’ouvrages de

Designing and Building with UHPFRC : State of the Art and Development

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Renforcement structurel de bâtiments et d’ouvrages de Génie Civil

au moyen de BFUP

Thierry THIBAUX Directeur Technique Eiffage TP Neuilly S/Marne, France Résumé Lorsqu’il devient nécessaire de réparer un ouvrage existant ou de renforcer ses capacités structurelles, il peut être fait appel à une ou plusieurs des techniques suivantes : béton projeté, plats métalliques, précontrainte additionnelle, collage de matériaux composites, etc…... Le but de cet article est de montrer que les BFUP (Bétons Fibrés à Ultra Hautes Performances) représentent une nouvelle solution de renforcement venant en complément des précédentes et offrant parfois des avantages uniques, du fait de leurs grandes qualités structurelles et de leur large domaine d’application. En effet, plusieurs qualités structurelles favorisent l’utilisation des BFUP : leur très haute résistance à la compression, leur résistance à la traction par action du fibrage, leur module d’Young élevé. Concernant la mise en œuvre, leur caractère autoplaçant à l’état frais simplifie leur emploi en zone confinée ou pour la réalisation de formes complexes. Enfin, leur excellent comportement au feu donne un argument supplémentaire en leur faveur vis-à-vis d’autres techniques plus classiques. Après une première utilisation structurelle en bâtiment (GECINA, rue Volney, PARIS – 2004), les BFUP sont désormais utilisés pour le renforcement d’ouvrages d’art ou d’ossatures de bâtiment et génie civil. Enfin, le présent article décrit plusieurs exemples récents concluants de réhabilitation d’ouvrages à l’aide de BFUP (ponts, parkings, cheminées, etc….). 1. Domaine d’application des BFUP A ce jour on constate que les ouvrages construits en BFUP peuvent être classés en 3 catégories :

a) les ponts b) les structures particulières c) les éléments architectoniques décoratifs

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18th – Marseille, France

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- Les ponts construits en BFUP sont dans leur majorité des passerelles piétons [Sherbrooke (Québec) – Seonyu foot bridge (Corée du Sud) – Kassel bridge (Allemagne) – etc….] ou des ouvrages routiers [Bourg-les-Valence (France) - Napello County (USA) etc…..].

- Dans la catégorie des structures particulières, les BFUP ont surtout été mis à profit pour la

réalisation de couvertures originales et spectaculaires [Péage de Millau (France) (photo 1) – Villa Navarra (France) – Gare de Shawnessy (Canada)].

- La 3ème catégorie, extrêmement variée, s’étend du panneau de façade pour bâtiment au panneau acoustique, aux résilles, ou parois ajourées et même jusqu’au mobilier urbain (bancs, tables, meubles d’intérieur).

Photo 1 - Péage de Millau En complément des utilisations précédentes, un nouveau domaine d’utilisation s’ouvre aux BFUP, celui de la réparation, de la réhabilitation ou du renforcement d’ouvrages. Plusieurs facteurs contribuent actuellement à la croissance de ce secteur :

- Une maîtrise croissante de la technologie des BFUP, - Des performances mécaniques et de durabilité exceptionnelles, - Une meilleure acceptation de ces matériaux par les Maîtres d’Ouvrage et organismes de

contrôle, - Des références probantes d’utilisation procurant une réduction importante des budgets de

réparation/renforcement, - Une économie de moyens et de matériaux qui s’inscrit dans la démarche de Développement

Durable ; Le premier grand projet avec utilisation de BFUP (plus de 1200 m3) fut d’ailleurs une réhabilitation, celle des réfrigérants de la Centrale EDF de Cattenom (France) où légèreté et surtout durabilité de la structure étaient les 2 qualités requises. A ce propos, il faut noter que dans le cadre d’une inspection décennale, le Groupe de Travail français "BFUP" sous l’égide de l’AFGC et du SETRA a fait


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réaliser en 2008 des carottages et des analyses sur les structures de Cattenom qui ont montré leur parfaite intégrité après 10 ans d’exposition en milieu agressif. 2. Les revêtements anti-abrasion Les surfaces hydrauliques (coursiers de barrage, canaux de montagne) sont particulièrement éprouvées par l’écoulement d’une eau fortement chargée en matériaux abrasifs. Or la résistance d’un béton hautes performances anti-abrasion même constitué de granulats durs est limitée par le fait que la zone d’enrobage, d’ailleurs importante dans ce cas (4 à 5 cm) pour protéger les aciers, ne possède qu’une résistance à la traction faible et donc une résistance aux chocs limitée. Le BFUP, par contre, est doté d’un fibrage important régnant jusqu’à la surface ce qui lui confère une durabilité bien supérieure car la zone d’enrobage potentiellement fragile n’existe plus. A titre d’exemple, plusieurs revêtements de canaux en béton armé dans les Alpes françaises ont été réparés et renforcés par une couche mince en BSI® de 10 cm d’épaisseur coulée en place (photo 2 – photo 3 – photo 4).

Photo 2 - coulage quasi continu pour un poteau - Perpignan


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Photo 3 - St Julien – Déversoir réparé en BFUP coulé en place

Photo 4 - Canaux de montagne – Réparation du radier et du nez-de-chute


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Sur le barrage de Pierre-Bénite (Rhône – France), une paroi dont le blindage en acier était détérioré mais dont la réparation s’avérait techniquement difficile a été renforcée par une couche mince de BFUP coulé en place. 3. Les transformations architecturales de bâtiments Lors de travaux de modernisation ou réaffectations d’espaces, les architectes ont le souci d’alléger les formes en réduisant les sections des structures porteuses à l’aide de matériaux plus performants en compression. On peut citer par exemple dans cette catégorie :

- Le musée d’Albi (France) (photo 5) où les colonnes existantes en béton armé sont remplacées par un poteau en BSI® de 30 cm de diamètre.

- L’immeuble GECINA, rue Volney (Paris) (Photo 6) où 84 poteaux préfabriqués en BFUP

ont été incorporés lors de la réhabilitation de la structure. Dans ce projet, les poteaux existants en béton armé de grande dimension, peu esthétiques, ont été remplacés par une série de poteaux minces rectangulaires en BSI® 12 cm x 30 cm reprenant chacun 100T.

Photo 5 - Albi

Photo 6 – Rue Volney


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Dans ces utilisations, le BFUP a été retenu, outre ses performances mécaniques, pour son excellent comportement au feu, les solutions par poteau acier devant être protégées par une paroi ou un matériau isolant. 4. Le renforcement structurel 4.1 – Généralités Le renforcement structurel à l’aide de BFUP vient s’ajouter aux nombreux autres matériaux ou procédés existants :

- Renforts en acier, - Béton projeté, - Précontrainte additionnelle, - Plats acier collés, - Lamelles de fibres de carbone, - Etc…

Dans certains cas, le BFUP devient la seule solution envisageable pour sauver la structure existante. Il faut d’ailleurs remarquer que sa très haute résistance à la compression n’est pas le facteur prépondérant. Dans ce domaine, les performances mécaniques sont appréciées mais la facilité de mise en œuvre l’est tout autant. Or le BFUP est avant tout un "béton armé liquide" qui, dans la majorité des cas, est autoplaçant et donc peut être mis en œuvre en couche mince. Rappelons que si un BFUP est dosé à 200 kgs de fibres acier par m3 et coulé en grande masse, ce fibrage est équivalent à une densité d’armatures conventionnelles de 80 kgs/m3. Lorsque le BFUP est coulé en couche mince l’effet favorable d’orientation des fibres le long des parois porte l’équivalence à 120 kgs d’armatures/m3. On peut ainsi réaliser des panneaux minces de grandes dimensions :

- Le long d’une âme de poutre pour accroître sa résistance à la flexion et à l’effort tranchant, - Autour d’un poteau pour accroître sa capacité portante,

dans des épaisseurs de 25 à 35 mm environ sans augmenter le poids propre de la structure existante de manière significative (un renfort de 35 mm en BFUP est équivalent en poids à une tôle acier de 12 mm). Si la géométrie de la pièce à renforcer est complexe, les nappes d’armatures sont avantageusement remplacées par le fibrage. Enfin le module d’Young élevé du BFUP est le 2e paramètre venant en justifier l’emploi, comme le montrent les 2 exemples suivants :


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4.2 – Exemples de renforcement structuraux 4.2.1. Pont sur l’Huisne – LE MANS – France Le nouveau tramway de la Ville du Mans devant emprunter le pont existant sur la rivière l’Huisne, un renforcement des poutres porteuses précontraintes du tablier s’imposait. Sur les tabliers aval, le nombre de voies passant de 3 à 4, les poutres ne pouvaient supporter les charges supplémentaires. A vide les poutres préfabriquées précontrainte d’origine sont très sollicitées en compression sur leur fibre inférieure et ne peuvent donc accepter de précontrainte supplémentaire destinée à reprendre les surcharges. La seule solution consiste à augmenter la section résistante à la compression mais sans accroître significativement le poids propre avant d’appliquer la précontrainte additionnelle. Il a donc été proposé d’épaissir les âmes des poutres par 2 renforts en BSI® coulés en place avant d’appliquer le supplément de précontrainte. Les travaux de renforcement ayant lieu sous le tablier en service et au-dessus de l’eau, les poutres ont été renforcées en épaississant les âmes par 2 joues latérales filantes de 20 cm d’épaisseur par 90 cm de hauteur coulées en place sur les talons existants des poutres en "I".

Figures 1 et 2 - ouvrage avant renforcement Figures 3 et 4 – ouvrage après renforcement


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Une fois ces renforts en BFUP coulés en place puis connectés à chaque poutre existante par barres précontraintes transversales, la précontrainte additionnelle est appliquée (figure 5). Dans ce projet, le BFUP utilisé est le BSI® du Groupe EIFFAGE dont le module exceptionnellement élevé atteint 65 GPa. Aussi la précontrainte de renfort se répartissant au prorata des sections et des modules, elle se concentre prioritairement dans les renforts d’âme en BSI®.

Figure 5 – Pont sur l’Huisne – Principe de renforcement des poutres existantes Pour ce projet, le BFUP a été malaxé sur place à raison de 10 m3/jour à partir d’un PREMIX conditionné en sacs. Le PREMIX permet une maîtrise totale de la qualité du matériau en évitant le dosage et le contrôle de chaque composant sur le chantier. Le bétonnage, sans vibration, s’est effectué depuis la chaussée à travers 6 "cheminées" de 200 mm de diamètre percées à travers le tablier et donnant ainsi accès à la partie supérieure des coffrages (photo 7). Une procédure d’alternance des passes de bétonnage est mise au point au préalable pour obtenir une bonne homogénéité des couches entre elles. Sur ce projet, malgré une mise en œuvre à basse température (6°C) la valeur moyenne de résistance à la compression à 28 jours du BSI® a atteint 182 MPa à 28 jours. A noter que l’efficacité de cette solution a permis d’éviter l’installation d’entretoises de répartition entre les poutres, solution envisagée initialement pour soulager les plus sollicitées.


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Photo 7 – Coulage du BFUP depuis le tablier existant 4.2.2. Renforcement du parking Espace Méditerranée de PERPIGNAN – France

� Le problème posé : Un nouvel immeuble de 6 étages doit être construit sur un parking existant.

Il s’agit d’un parking souterrain sur 2 niveaux construit 25 ans auparavant et dont la structure en béton armé était dimensionnée pour recevoir éventuellement un immeuble sur la dalle supérieure du rez-de-chaussée. Cependant, il est apparu lors de l’étude détaillée du projet que :

- Le projet architectural était différent des hypothèses d’origine, - Les normes sismiques étaient modifiées et renforcées, - La résistance réelle à la compression du béton des poteaux existants était anormalement

faible. Ainsi plus de 60 poteaux (de section 100 cm x 40 cm pour la plupart) sur la centaine que comptait le parking se trouvaient en fort dépassement de contraintes. Le Maître d’Ouvrage n’autorisait qu’une surépaisseur de 15 mm ( !) sur chaque face longitudinale des poteaux, les véhicules étant déjà à l’étroit dans la trame actuelle. Bien entendu le parking devait rester en exploitation pendant toute la durée des travaux de renforcement.


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Après une étude comparative entre diverses solutions (béton armé, charpente acier, lamelles de fibres de carbone, etc ..) seul le projet à base de BFUP évitait la démolition du parking. Il fallait en effet non seulement renforcer les poteaux mais également transmettre les charges à travers les planchers et retombées existantes tout en assurant une stabilité au feu ISO de 2 heures.

� Les études et essais :

Pour bénéficier de l’épaisseur maximale de BFUP, les poteaux ont été dégarnis jusqu’aux aciers existants soit sur une épaisseur de 20 mm autorisant un renfort total de 35 mm plus compatible avec les contraintes de bétonnage en place (figure 6). Des essais préalables de bétonnage de plaques de 2,40 m de hauteur ont été réalisés en laboratoire. La connexion avec le béton existant se fait par une rangée de connecteurs Ø12 mm (8 unités/m²) scellés sur toute la surface des poteaux. D’autre part, le ceinturage d’un poteau par une fine paroi de BFUP comportant un risque de fissuration au jeune âge par retrait empêché, des essais préalables en labo à l’échelle 1 ont été entrepris avant démarrage du chantier. Pendant les travaux, malgré ces conditions défavorables, aucune fissure de retrait n’a été constatée sur les 60 poteaux renforcés. � Déroulement des travaux : L’installation était comparable à celle du Pont sur l’Huisne, mais ici, le bétonnage s’effectuait par tuyau de faible diamètre sur 2 niveaux à partir du rez-de-chaussée. Des évents préalablement percés dans chaque plancher assuraient un bon remplissage des coffrages et une bonne transmission des compressions par contact.

Au niveau de chaque plancher, un léger évasement de la section permettait la diffusion des efforts concentrés venant du cerclage en BFUP (photo 8). Si S1 est la section du poteau existant et S2 la section de BSI®, les surcharges se répartissent au prorata des sections et des modules Young. Pour un poteau très sollicité on obtient un accroissement de capacité de 70% pour une augmentation de section de 21%.

5. Conclusion Dans le domaine de la réparation et du renforcement d’ouvrages, les BFUP sont maintenant devenus une technique à part entière avec des qualités spécifiques qui ne sont pas toujours réunies dans les


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procédés antérieurs : haute résistance aux chocs et à l’abrasion, souplesse d’utilisation, performances élevées, résistance au feu, autant de critères qui peuvent les recommander dans les projets difficiles où la structure existante est menacée de démolition.

CRITERES DES PROCEDES DE RENFORCEMENT

Matériaux de renforcement

Compres-sion élevée

Traction élevée

Résistance au feu

Accès difficile

Géométrie compliquée

Module élevé

Renforcement sous l’eau

Charpente acier

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Précontrainte

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Béton projeté

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Plats acier collés

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Lamelles en fibres de carbone

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BFUP

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Documents

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