Analyse du mécanisme de renforcement d'un poteau en béton armé avec un treillis en fibres de carbone

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

Le treillis en fibres de carbone est généralement constitué de fibres continues d'un diamètre de 5 à 20 microns. Le matériau de base est composé de résine et d'un durcisseur. La fibre de carbone est imprégnée de résine (renfort interne). Une fois la résine durcie, un treillis en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) se forme.

La densité est faible, 1/6 de celle de l'acier ordinaire.

La résistance à la traction est environ 4 à 6 fois supérieure à celle d'une barre d'acier ordinaire.

La résistance à la corrosion est bonne et n'est pas affectée par les milieux corrosifs acides et alcalins.

L'amagnétisme n'affecte pas la propagation des signaux électromagnétiques.

La résistance à la fatigue est excellente et la durée de vie en fatigue est généralement supérieure à celle de l'acier.

Le coefficient de variation de température est équivalent à celui du béton.

Le module d'élasticité est similaire à celui de l'acier.

L'allongement limite est de 1 %.

1.2 Principe des poteaux en béton armé renforcés par un treillis de fibres de carbone.

Lorsque les poteaux en béton armé sont soumis à une compression axiale, les éléments subissent une dilatation latérale de très faible valeur limite. Des contraintes latérales peuvent être créées autour des éléments pour empêcher cette dilatation latérale et améliorer ainsi leur capacité de compression et de déformation.

Le renforcement des poteaux en béton armé par treillis de fibres de carbone assure une contrainte entre le béton du poteau et la bande de renfort (l'interaction entre eux est appelée contrainte de contrainte d'interface). Le béton central de la zone plastique est soumis à une contrainte tridirectionnelle sous l'action de la contrainte de contrainte d'interface transversale. La déformation de compression ultime et la capacité portante des poteaux en béton armé sont supérieures à celles sous charge unidirectionnelle. La déformation de ductilité 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'action d'un treillis de fibres de carbone.

1.3.1 La résistance à la compression axiale ultime des poteaux rectangulaires entourés de tissu en fibre de carbone est bien inférieure à celle des poteaux circulaires en raison de la contrainte de traction axiale du tissu en fibre de carbone formée par la contrainte transversale du PRFC sur les poteaux en béton armé. Cependant, la résistance à la flexion du tissu en fibre de carbone 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 en fibre de carbone 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 Étant donné que la contrainte du tissu en fibre de carbone sur les poteaux en béton armé est une contrainte d'interface, ce n'est que lorsque le béton se dilate vers l'extérieur et latéralement (entraînant une déformation plastique) que le tissu en fibre de carbone peut générer une contrainte de contrainte sur le béton.

Dans un premier temps, la contrainte de compression axiale du béton est faible, la déformation transversale est faible et la force du PRFC est faible. Dans la deuxième étape, avec l'augmentation de la charge, la déformation du béton du poteau s'accentue, la contrainte circonférentielle du tissu en fibres de carbone augmente significativement et la force de retenue circonférentielle augmente rapidement jusqu'à ce que le PRFC atteigne sa contrainte de traction ultime. L'augmentation de la contrainte et de la déformation retenues du PRFC sur le béton est liée aux spécifications du tissu en fibres de carbone, des formes de liaison et des couches de liaison, qui doivent être déterminées expérimentalement.

2. Technologie et points de construction des poteaux en béton armé renforcés par un treillis en fibres de carbone

2.1. Champ d'application et conditions de travail requises

Le treillis en fibres de carbone est adapté aux poteaux cylindriques ou rectangulaires de petite section (longueur d'arête généralement inférieure à 800 mm). Il permet d'améliorer considérablement la portance axiale des poteaux en béton armé en conditions instables. Le renforcement doit impérativement s'assurer que le cœur du béton de l'élément ne soit pas détruit et qu'il présente une certaine capacité de charge et de déformation.

2.2 Points clés pour le renforcement des structures par treillis en fibres de carbone

2.2.1. Lorsque les poteaux en béton armé sont déchargés avant armature, un retard de déformation se produit entre le PRFC extérieur et la surface des poteaux en béton lorsque les éléments en béton sont enveloppés de treillis en fibres de carbone sous charge. Il arrive souvent que le béton non désolidarisé par le treillis en fibres de carbone s'écrase. Cet effet réduit l'effet de renforcement du PRFC et ne permet pas d'exploiter pleinement les hautes performances de traction du treillis en fibres de carbone.

2.2.2. La réparation de surface des éléments en béton est essentielle, car elle affecte directement l'effet de retenue transversale du tissu en fibre de carbone sur le béton. Le rayon du chanfrein d'angle d'un poteau rectangulaire ne doit pas être inférieur à 20 mm, et le côté du poteau doit être réparé pour former une surface convexe externe afin de réduire la concentration de contrainte du tissu en fibre de carbone dans l'angle.

2.2.3. Un tissu en fibre de carbone et un adhésif de haute qualité doivent être sélectionnés. Un contrôle qualité rigoureux doit être effectué lors de la construction et l'adéquation du tissu et de l'adhésif doit être assurée.