Le tissu en fibre de carbone est le matériau de renforcement structurel le plus utilisé et le plus répandu dans le domaine du génie civil. Cette technologie de renforcement a connu un essor dans les années 1980 et s'est rapidement développée en Chine à la fin des années 1990. De nombreux instituts de recherche et universités, nationaux et internationaux, ont mené de nombreuses recherches sur le renforcement des éléments en béton par ce tissu. Grâce à l'approfondissement de la recherche expérimentale, le champ d'application de cette technologie de renforcement s'élargit et les techniques d'application s'améliorent.

Les études expérimentales sur le renforcement des poteaux en béton armé par un tissu en fibre de carbone sont relativement peu nombreuses, mais les résultats expérimentaux montrent que le renforcement des poteaux en béton armé par un tissu en PRFC présente les caractéristiques suivantes : simplicité de construction, forte résistance à la corrosion, bon effet de retenue et quasi-absence d'entretien. La technologie de renforcement suivante est brièvement présentée.

1. Analyse mécanique des poteaux en béton armé renforcés par un tissu en fibre de carbone

1.1. Tissu en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC)

Le tissu en fibre de carbone PRFC est généralement une fibre continue d'un diamètre de 5 à 20 microns. Le matériau de base est composé de résine et d'un agent de durcissement. La fibre de carbone est imprégnée de résine (renfort interne). Une fois la résine durcie, un plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) se forme. Ses caractéristiques sont les suivantes : faible densité (1/6 pour l'acier ordinaire). Sa résistance à la traction est environ 4 à 6 fois supérieure à celle d'une barre d'acier ordinaire. Sa résistance à la corrosion est bonne et elle n'est pas affectée par les milieux corrosifs acides et alcalins. L'amagnétisme n'affecte pas la propagation des signaux électromagnétiques. Sa résistance à la fatigue est excellente et sa durée de vie est généralement supérieure à celle de l'acier. Son coefficient de variation de température est équivalent à celui du béton. Son module d'élasticité est similaire à celui de l'acier. Son allongement limite est de 1 %.

1.2. Principe des colonnes en béton armé de treillis de fibres de carbone.

Lorsque les colonnes en béton armé sont soumises à une compression axiale, les éléments subissent une dilatation latérale avec une valeur limite très faible. Par exemple, des contraintes transversales peuvent être créées autour des éléments pour empêcher cette dilatation latérale des éléments compressifs, améliorant ainsi leur capacité de compression et de déformation.

Le renforcement des poteaux en béton armé par le PRFC assure la retenue entre le béton du poteau et la zone de renforcement en PRFC (l'interaction entre eux est appelée contrainte de retenue d'interface) grâce à la contrainte de retenue d'interface transversale, zone plastique du noyau en béton dans un état de contrainte tridimensionnel. La déformation ultime en compression et la capacité portante des poteaux en béton armé sont supérieures à celles sous charge unidirectionnelle. De plus, la ductilité, la déformation et la capacité de dissipation d'énergie des poteaux en béton armé sont supérieures lorsque la capacité portante en flexion des poteaux n'est pas significativement réduite, sans tenir compte de l'effet de l'instabilité.

1.3. Répartition des contraintes des poteaux en béton armé sous l'effet d'un tissu en fibres de carbone.

1.3.1 La résistance à la compression axiale ultime des poteaux rectangulaires entourés de tissu PRFC est bien inférieure à celle des poteaux circulaires en raison de la contrainte de traction axiale du tissu PRFC formée par la contrainte transversale du tissu PRFC sur les poteaux en béton armé. Cependant, la résistance à la flexion du tissu PRFC est très faible (généralement non prise en compte). La contrainte latérale au centre du bord du poteau rectangulaire est faible et la contrainte de concentration de contrainte latérale aux angles est importante. La contrainte de contrainte latérale du tissu PRFC sur le poteau en béton armé ne peut augmenter rapidement que lorsqu'une déformation plastique latérale se produit au bord du poteau.

1.3.2 Dans la première phase, la contrainte de compression axiale du béton est faible, la déformation transversale est faible et la force du PRFC est faible. Dans un deuxième temps, avec l'augmentation de la charge, la déformation du béton des poteaux augmente, la contrainte circonférentielle du tissu en fibres de carbone augmente significativement et la force de retenue circonférentielle augmente rapidement jusqu'à ce que le tissu en PRFC atteigne sa contrainte de traction ultime.

Conclusion

1) Le renforcement des poteaux en béton armé par un tissu en PRFC peut transformer l'état de contrainte axiale du béton en état de contrainte tridimensionnelle et améliorer la portance et la capacité de déformation du béton confiné, en particulier pour les poteaux en béton armé dont le taux de compression axiale ne répond pas aux exigences des normes de conception sismique.

2) Afin d'améliorer la portance et la ductilité de la zone de la rotule plastique, celle-ci apparaîtra aux extrémités supérieure et inférieure des poteaux en béton armé sous les charges sismiques répétées, et sa portance et sa ductilité diminueront rapidement. La résistance ultime et la capacité de déformation du béton du noyau dans la zone de la rotule plastique seront considérablement améliorées après enroulement et renforcement par un tissu en PRFC.

3) La technologie de construction est faible en matières, simple à mettre en œuvre, offre un bon effet de retenue et une forte résistance à la corrosion, et ne nécessite qu'une protection sans entretien.

4) La technologie de renforcement du tissu en fibre de carbone n'est pas omnipotente, elle présente des défauts : une faible résistance à haute température de la colle organique, un environnement à haute température et des exigences de qualité de prévention des incendies ne peuvent pas être utilisés dans les bâtiments ; des colonnes rectangulaires irrégulières ou de grande section doivent être utilisées sous condition.