Évaluation du comportement en fatigue des poutres en béton armé renforcées à l’effort tranchant à l’aide de polymères renforcés de fibres

Contexte général 

En Amérique du Nord, la plupart des ouvrages d’art, notamment les ponts en béton armé (BA) présentement en service, ont été construits de 1960 à 1980. Plus du tiers de ces ponts sont, de nos jours, considérés comme structuralement déficients ou fonctionnellement obsolètes compte tenu des conditions des constituants de la structure et de la capacité des ponts à répondre aux exigences des normes actuelles de conception. Ces critères sont établis en référence à une méthode générale d’évaluation sous forme d’indices d’état et de fonctionnalité. Outre les paramètres couramment cités pour l’ensemble des structures tels que le vieillissement, les erreurs de conception, l’exposition aux surcharges imprévues (augmentation des surcharges règlementaires), le changement d’usage de la structure, les effets environnementaux, le fluage, la corrosion des armatures d’acier, la dégradation accumulée par fatigue est considérée comme un facteur majeur de détérioration rapide des ouvrages d’art. En effet, bien que les ponts soient généralement soumis à des charges cycliques bien en deçà de leurs capacités ultimes statiques, le caractère répétitif de chargement cyclique peut augmenter le taux d’endommagement des structures en BA. On observe alors une accélération dans la progression des fissures et une perte de rigidité accrue dues à la dégradation accumulée de la résistance par fatigue qui peut compromettre la stabilité, l’intégrité structurale et la sécurité de la structure. Ajoutons à cela les problèmes de rupture prématurée associés à la complexité et l’incompréhension du comportement en cisaillement des structures en BA, surtout sous chargement cyclique à long terme ou fatigue. Ceci nécessite le recours à des techniques de réhabilitation rapides, efficaces et durables pour prolonger la durée de service des structures déficientes.

Dès les années 1960, le renforcement des ponts à l’aide de plaques métalliques est utilisé pour augmenter la résistance et la rigidité des poutres en BA, notamment en flexion. Au cours des deux dernières décennies, une nouvelle technique de renforcement externe des structures en BA (incluant les bâtiments et les ponts) à l’aide de matériaux composites avancés (MCA) en polymères renforcés de fibres (PRF) a gagné en popularité grâce aux nombreux avantages qu’offrent les composites PRF comparés aux plaques d’acier. On souligne leur résistance plus élevée en tension et à la corrosion, une facilité d’installation, une bonne durabilité, ainsi qu’un poids propre plus léger (ratio rigidité sur poids propre plus élevé). L’utilisation de plus en plus répandue de cette technique de renforcement résulte également des avancées de la recherche dans le domaine entrepris durant ces dernières années. Ces efforts à l’échelle internationale ont traité de nombreux aspects de la technique, qui ont mené à des résultats concluants rédigés sous forme de guides normatifs de conception.

Cependant, la majorité des études disponibles évaluent le comportement des poutres en BA renforcées à l’aide de PRF sous charges statiques; et ce volet de la recherche est relativement bien documenté, que ce soit en flexion ou en cisaillement. En revanche, les études sur l’évaluation du comportement en fatigue des poutres en BA renforcées sont à leur début avec une plus grande concentration des efforts sur le renforcement en flexion. La présente thèse a donc pour but de combler les lacunes et les besoins en recherche sur le renforcement en cisaillement des poutres en BA sous charges cycliques, tout en contribuant à la banque de données qui peuvent s’avérer utiles pour la communauté et pour l’industrie de la construction. Compte tenu de la popularité du renforcement en cisaillement des poutres en BA à l’aide de PRF sous charges statiques, la faisabilité du renforcement à l’aide de PRF sous charges de fatigue mérite d’être étudiée plus en profondeur.

Contextes de déficience des ponts existants 

Selon le Ministère des transports du Québec (MTQ), le réseau routier québécois comprend près de 9600 structures réparties en deux grandes catégories:

– Les ponts du réseau routier supérieur (RRS), sous la responsabilité du MTQ, comprenant plus de 5300 structures dont la portée minimale est de 4.5 m;
– Les ponts du réseau routier municipal (RRMUN), sous la surveillance des municipalités de moins de 100000 habitants dont l’entretien a été repris par le Ministère en 2008. Cette catégorie compte près de 4300 ponts.

À titre de comparaison, selon le FHWA (Federal Highway Administration – U.S. department of transportation), le réseau routier aux États-Unis comprend environ 605000 ponts mais fait face aux mêmes défis quant à l’entretien des structures, leur réhabilitation ou leur remplacement et les investissements requis. L’état des structures fait l’objet de rapports continus et les principales conclusions font état d’une situation critique en termes d’investissements nécessaires pour le maintien des structures :

1. Plus de 70% des ponts du réseau routier québécois ont été construits entre les années 1960 et 1980 (Figure 1.1). L’âge moyen de service des ponts au Québec est d’environ 37 ans, selon le bilan de l’état des structures du RRS québécois publié par le MTQ (2011). Ces ponts s’approchent donc, sinon dépassent, de la fin de leur cycle de service prévu. Aux États-Unis, le FHWA (2013) a déclaré dans son rapport sur l’état des infrastructures qu’environ 68.5% des ponts existants ont dépassé 26 ans d’âge en 2010, dont 30.8% sont âgés de plus de 50 ans (Figure 1.2). L’âge moyen des ponts aux États-Unis est d’environ 42 ans. Il en résulte une période de demande insoutenable en entretien, en réparation, en renforcement et en reconstruction qui va s’échelonner sur des années.

2. Dans son rapport annuel de gestion 2013-2014, le MTQ a déclaré que 28.8% des ponts du RRS (environ 1525 ponts) ne sont pas en bon état et nécessitent une intervention rapide (renforcement ou remplacement) avant cinq ans, alors que 49.6% des ponts du RRMUN (environ 2130 ponts) sont identifiés comme déficients (MTQ 2014). Par comparaison, le FHWA a estimé que 24.9% des ponts étaient déficients en 2012 (environ 151497 ponts), dont 11% classés comme structuralement déficients et 13.9% comme fonctionnellement obsolètes (ASCE 2013).

Retombées prévues (contributions originales) 

Les recherches expérimentales réalisées dans le cadre de la présente étude vont contribuer à mieux comprendre l’évolution du comportement en fatigue des poutres en BA renforcées en cisaillement à l’aide de PRF collés en surface. En effet, la revue de la littérature révèle clairement que les recherches expérimentales et les études analytiques sur le comportement en fatigue des poutres en BA renforcées à l’aide de PRF sont très limitées. La majorité de ces études se rapportent au renforcement en flexion, tandis que très peu d’études ont été réalisées sur le renforcement en cisaillement. Ainsi, l’état des connaissances actuelles n’enregistrent pas assez d’études pour bien comprendre et examiner les mécanismes de résistance en cisaillement des poutres en BA renforcées à l’aide de PRF sous chargement de fatigue, en particulier les poutres de ponts. À ceci s’ajoute le manque de procédures de vérifications et de règles de conception à l’ÉLF adoptées par les normes et standards en vigueur relativement à ce sujet.

Il est donc à espérer que les résultats obtenus vont préparer le terrain pour de futures recherches afin de proposer des règles simples de dimensionnement, pouvant être intégrées dans les normes de conception et qui permettront aux ingénieurs d’aborder d’une manière rationnelle les problèmes inhabituelles de conception associés à ce sujet. Plus spécifiquement, les résultats de la recherche projetée vont :
1. Renseigner sur l’efficacité du renforcement en cisaillement des poutres en BA à l’aide de PRF collés en surface sous charges cycliques.
2. Enrichir la base de données sur la fatigue et ajouter à la littérature des résultats qui peuvent s’avérer utiles pour l’industrie de la construction afin d’outiller l’ingénieur aux prises avec des projets de réhabilitation des ponts.

Matériaux composites avancés (MCA) en polymères renforcés de fibres (PRF)

Les structures existantes en béton armé ont une durée de service limitée et se voient affectés par des problèmes de fonctionnalité, de résistance et de durabilité sous différents types de chargement (flexion, cisaillement, torsion, fatigue, etc.). Pour cela, les ingénieurs doivent être capable de maintenir ces structures à un niveau de performance acceptable, de les réparer après un certain niveau de dégradation, ou de les renforcer pour amener leur capacité à un niveau plus élevé afin de résister à une éventuelle augmentation du chargement. Ces procédés de construction sont définis par le terme “réhabilitation”. Les performances remarquables des matériaux composites avancés (MCA) en polymères renforcés de fibres (PRF) pour le renforcement des poutres en BA ont permis des innovations importantes dans le développement des techniques de réhabilitation. En plus de surmonter les limitations associées aux techniques conventionnelles de renforcement (poids propre, corrosion, installation et ancrage), cette méthode émergente de renforcement à l’aide de PRF offre plusieurs avantages et sa fiabilité technique et sa viabilité économique sont désormais établies. Ce chapitre présente l’état des connaissances sur les caractéristiques physiques et les propriétés mécaniques des constituants des matériaux composites PRF, l’évolution de leur utilisation ainsi que les techniques de renforcement. L’accent est mis sur les modes de rupture en cisaillement observées à date dans les poutres en BA renforcées.

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Contexte général
1.2 Contextes de déficience des ponts existants
1.3 Problématiques quant à la réhabilitation des poutres en béton à l’aide de PRF sous charges cycliques
1.4 Objectifs de la thèse
1.5 Approche Méthodologique
1.6 Retombées prévues (contributions originales)
1.7 Organisation de la thèse
CHAPITRE 2 UTILISATION DES MATÉRIAUX COMPOSITES AVANCÉS POUR LE RENFORCEMENT DES STRUCTURES EN BÉTON – GÉNÉRALITÉS
2.1 Matériaux composites avancés (MCA) en polymères renforcés de fibres (PRF)
2.1.1 Les constituants d’un composite PRF
2.1.2 Les fibres (renforts)
2.1.3 Les résines polymères (matrice)
2.1.4 Propriétés mécaniques des composites PRF
2.1.5 Comparaison des composites PRF
2.2 Généralités sur le renforcement des structures en béton à l’aide de PRF
2.2.1 Historique de l’évolution des normes en vigueur quant à l’utilisation de PRF
2.2.2 Systèmes de renforcement à l’aide de PRF
2.2.3 Durabilité à long terme et en fatigue des composites PRF
2.2.4 Modes de rupture des poutres en béton renforcées en cisaillement à l’aide de PRF
CHAPITRE 3 COMPORTEMENT EN FATIGUE DES POUTRES EN BÉTON RENFORCÉES À L’AIDE DE PRF COLLÉS EN SURFACE – REVUE DE LA LITTÉRATURE
3.1 Notions générales et définitions
3.2 Limites de contraintes recommandées par les normes en vigueur pour la conception à l’état limite de fatigue (ÉLF)
3.3 Durée de service en fatigue (relation S-N de Wöhler)
3.4 Fatigue des matériaux : béton, armatures d’acier, béton armé et PRF
3.5 Analyse des recherches expérimentales antérieures – Revue documentaire et bibliographique
3.5.1 Paramètres d’étude en fatigue
3.5.2 Dégradation accumulée par fatigue
3.5.3 Modes de rupture
3.5.4 Poutres en BA renforcées en cisaillement à l’aide de PRF collés en surface
3.6 Synthèses des résultats des recherches expérimentales antérieures
3.7 Les besoins en recherche
CHAPITRE 4 EXTENDING THE FATIGUE LIFE OF REINFORCED CONCRETE T-BEAMS STRENGTHENED IN SHEAR WITH EXTERNALLY BONDED FRP: UPGRADING VERSUS REPAIRING
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Experimental program
4.3.1 Description of specimens
4.3.2 Properties of materials
4.3.3 Variables examined
4.3.4 Test setup and procedure
4.3.5 Instrumentation
4.4 Analysis of test results
4.4.1 Overall response
4.4.2 Modes of failure
4.4.3 Fatigue test results
4.4.4 Cumulative fatigue degradation
4.4.5 Test results for monotonic loading
4.5 Conclusions
4.6 Acknowledgments
CHAPITRE 5 FATIGUE BEHAVIOR OF RC T-BEAMS STRENGTHENED IN SHEAR WITH EB CFRP L-SHAPED LAMINATES
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Experimental program
5.3.1 Description of specimens
5.3.2 Properties of materials and strengthening method
5.3.3 Test setup and procedure
5.3.4 Instrumentation
5.4 Analysis of test results
5.4.1 Overall response
5.4.2 Modes of failure
5.4.3 Fatigue test results Deflection response Strain response
5.4.4 Cumulative fatigue degradation
5.4.5 Static test results (beams that underwent fatigue)
5.5 Conclusions
5.6 Acknowledgments
CHAPITRE 6 CYCLIC PERFORMANCE OF RC T-BEAMS STRENGTHENED IN SHEAR WITH FRP COMPOSITES: SHEETS VERSUS LAMINATES
6.1 Abstract
6.2 Introduction
6.3 Experimental program
6.3.1 Description of test specimens
6.3.2 Properties of materials and strengthening methods
6.3.3 Test setup and procedure
6.3.4 Instrumentation
6.4 Experimental test results: analysis and discussion
6.4.1 Failure modes
6.4.2 Fatigue behavior under cyclic loading
6.4.3 Post-fatigue behavior under monotonic loading
6.5 Conclusions
6.6 Acknowledgments
CHAPITRE 7 CONCLUSION

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