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Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012

M. Rabasse (DLA) - H. Cannard (LRS) – S. Chataigner (IFSTTAR)

Marjorie Rabasse – DL AutunHervé Cannard - LR StrasbourgSylvain Chataigner – IFSTTAR

Journées techniques Ouvrages d’Art 2012

SourdunSourdun –– 9/11 mai 9/11 mai

Investigations sur le renforcement par Investigations sur le renforcement par composites collcomposites colléés sur structure ms sur structure méétallique tallique



Investigations sur le renforcement par composites collés sur structure métallique

Le renforcement par composites collés

Contexte et objectifs du chantier de renforcement

Contrôle extérieur du renforcement - Pont du Dancourt

Recherche appliquée : ORs AIPAD et MADMECA *

Perspectives/Conclusions

* AIPAD: Approches Innovantes Pour Améliorer la Durabilité des structures

MADMECA: Maintenance et Amélioration de la Durée de vie des stuctures Métalliques Et à Câbles



Le renforcement par composites collés

Utilisé depuis une dizaine d’années en France pour le renforcement des ouvrages en béton (flexion, effort tranchant, séisme, …) (1)

Utilisation plus limitée pour le renforcement des structures métalliques bien que le matériau composite présente plusieurs avantages (légèreté, relative facilité de mise en œuvre, propriétés mécaniques spécifiques, ..) (2) et (3)

Travaux de l’Equipe Ressource « Collage Matériaux Composites » du CETE de Lyon sur le sujet:

– Contrôle extérieur du renforcement par composites collés haut module sur support métallique - Pont du Dancourt (LR Strasbourg - DL Autun)

– Recherche réalisée sur l' OR MADMECA et l’OR AIPAD (IFSTTAR - DL Autun)

(1) Association Française de Génie Civil, Réparation et renforcement des structures en béton au moyen des matériaux composites – Recommandations provisoires, Documents scientifiques et techniques, Février 2011 .

(2) Moy S.S.J., Guidelines FRP Composites: Life extension and strengthening of metallic structures: ICE design and practice guide, 2001, Thomas Telford.

(3) National Research Council, Guidelines for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening existing structures – Metallic structures – Preliminary study, CNR DT 202/2005, Rome, 2007.



Contexte et objectifs des renforcements composites – Cas du pont du Dancourt• Renforcement d’un ouvrage en métal assez peu commun en France

(première pour le RST)

• Objectif : Diminuer l’amplitude de contrainte subie par le joint soudé pour augmenter sa durée de vie en fatigue (dimensionnement réalisé par le SETRA Mr Berthellemy et Mr Rizard)

=> Nécessité de recourir à un plat haut module plus raide avec densité de fibres plus importantes et fibres plus raides : Module élastique en traction = 400 GPa : rigidité supérieure à celle de l’acier(module des plats classiques de renforcement pour les structures en béton: 160 GPa)

• Contraintes: – Co-activité avec chantier de réparation et de remise en peinture de l’ouvrage– Importance du phasage: assurer une préparation préalable du support correcte



Contrôle extérieur du renforcement

• Mission de Contrôle extérieur du renforcement par composites collés du Pont du Dancourt

Coopération LR Strasbourg – DL Autun– Avis sur documents (procédures, matériaux…)– Participation à l’épreuve de convenance avec

réalisation d’essais de cisaillement sur joint collé au DL Autun

– Suivi de l’application sur chantier



Contrôle extérieur du renforcement Pont du Dancourt• Localisation des renforcements

poutre latérale côté voie lente (N°1)

C

C

Coupe CC

D

D

Raidisseur

Renforcement composite

Coupe DD

Raidisseur

E

Vue suivant E

Epreuve de convenance

E

c

c

D

D



Contrôle extérieur du renforcement Pont du Dancourt• Localisation des renforcements

poutre N°2

C

C

Coupe CC

D

D

Renforcement composite

Coupe DDE

Vue suivant E

E

c

c

D

D



Contrôle extérieur du renforcement Pont du Dancourt• Epreuve de convenance

Préparation du support par projection d’abrasif

Degré de soin Sa 2 ½ selon ISO 8501-1

Rugosité Moyen G selon ISO 8503-2 Sablage des plaques d’essai

Sous face de la semelle de la poutre P1Partie supérieure de la semelle de la poutre P1




Préparation de la colle, encollage du support

+

Le Kit Sikadur 30 (base+durcisseur)

Le mélangeLes lamelles composite (Carbodur® UH 514)

Echantillonnage de la colle préparéeEncollage du support




Encollage des plats pultrudés sur gabaritContrôle des épaisseurs de colle appliquée au peigne humide (NFT 30-125)

Positionnement du renfort

Marouflage du renfort Partie supérieure de la semelle



Contrôle extérieur du renforcement Pont du Dancourt• Epreuve de convenance :réalisation de plaques témoin pour le suivi du vieillissement sur site et les

essais de cisaillement



Contrôle extérieur du renforcement Pont du Dancourt

• Epreuve de convenance : Contrôles réalisés sur chantier et en laboratoire

• Contrôle de la qualité du collage par thermographie IR « active » (chauffage suivi du contrôle par caméra IR)

=> qualité du collage OK

• Essais sur adhésif : => dureté shore « D »=> Essais de DSC : détermination de la température de

transition vitreuse

Rappel Recommandations AFGC : Tg > T (service) +10°C

• Essais de cisaillement sur joint collé



Contrôle extérieur du renforcement Pont du Dancourt• Suivi de pose du renforcement : 24 octobre 2011

– Implantation des renforts – Contrôle des conditions d’application – Contrôle par thermographie IR active

• Pas de défauts de collage– Mesures de dureté shore D >> 70 (2 jours à 20°C)



Recherche OR MADMECA et OR AIPAD• Adaptation de l'essai de cisaillement et aide à l'épreuve

de convenance

Dispositif de compensation du

moment de flexion induit

Calage vertical de l’échantillon

Tôle d’appui entre le vérin, et

l’échantillon

Chataigner S., Caron J.F., Benzarti K., Quiertant M., Aubagnac C. Characterization of FRP-to-concrete bonded interface. European J. of Environmental and Civil Engineering. vol. 13(9), p. 1073-1082. 2009.

Méthode d’essai LPC N°72, Essai de cisaillement à simple recouvrement pour caractériser l’adhérence de renforts composites collés sur substrat béton, 2010



Recherche OR MADMECA et OR AIPAD• Essai de cisaillement du joint collé sur support métal

300 mm

200 mm50 mm

500 mm

Scotch

Métal

Plat haut module

Après essai



Recherche OR MADMECA et OR AIPAD• Avant et après vieillissement sur site Réalisation des assemblages29-30/09/2011

Après 1 mois deStockage sur chantier Essais en octobre 2011

Après plusieurs mois destockage sur chantier

Valeur à rupture51 kN60 kN52 kN

Essais à venir

Mode de ruptureColle (rupture cohésive)



Recherche réalisée OR MADMECA et OR AIPAD• Vieillissement accéléré (40°C et plus de 95 % HR)

=> pas de dégradation du comportement en cisaillement

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 200 400 600 800

Temps de vieillissement, en joursC

apac

ité m

axim

ale,

en

kN

Benzarti K., Chataigner S., Quiertant M., Marty C., Aubagnac C., « Accelerated ageing behaviour of the adhesive bond between concrete specimens and CFRP overlays», Construction and building materials, vol. 25, 2011, p. 523-538.



OR MADMECA et OR AIPAD

• Instrumentation par jauges de déformation

=> Plastification du polymère après vieillissement

85 mm

15 mm50 mm

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 0,0014Déformation mesurée

Effo

rt ap

pliq

ué, e

n kN

Jauge 15 mmJauge 50 mm

Chataigner S., Caron J.F., Duong V.A., Diaz Diaz A., « Experimental and numerical investigation of shear strain along an elasto-plastic bonded lap joint », Construction and building materials, vol. 25, 2011a, p. 432-441.

Après vieillissement




Mise au point d'un essai de pseudo-fatigue :

- suivi des déformations du renfort par jauges de déformation

- essais destructifs en fin de sollicitation sur une amplitude de 30% de la capacité ultime de l'assemblage en cisaillement (5000 cycles)

Plat pultrudé carbone

Tôle acierRésine é

300 mm

85 mm60 mm

P P

Jauges de déformation

Câlesd’appuiCales

d’appui

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0,0006

0,0007

0,0008

0,0009

0,001

0 5000 10000 15000 20000Temps, en s

Def

orm

atio

n

Jauge 1 Jauge 2

Phase transitoire avant stabilisation (présente seulement pour les 500 derniers cycles)

Déformation résiduelle




• Pseudo-fatigue en laboratoire

=> Pas de dégradation de la capacité en cisaillement de l'assemblage que ce soit avant ou après vieillissement après 5000 cycles de sollicitation

Présentation des travaux dans la revue des Composites et des Matériaux Avancés et présentation au CICE 2012.

Plaque Conditions de stockage Pseudo-fatigue

Echantillon Capacité ultime, en kN

AC1 37,93 AC Laboratoire Oui

AC2 37,09

ANC1 36,85 ANC Laboratoire Non

ANC2 40,65

BC1 33,19 BC 40°C et plus de 95 %HR Oui

BC2 34,72

F3a 34,73 F3 40°C et plus de 95 %HR Non

F3b 35,97



Conclusions/perspectives chantier

• Pont du Dancourt : Première expérience concluante de renforcement par composites collés haut module sur support métal.

• Suivi de vieillissement sur site en cours

• Renforcement du second tablier du Dancourt (sens Sedan -> Charleville) prévu en 2012



Perspectives Recherche

• Etude en fluage avec l'IFSTTAR(thèse de N. Houhou (K.Benzarti, M. Quiertant, S. Chataigner))

• Etude en fatigue avec UR Navier (thèse H. Chafi (G. Foret, S. Chataigner) )

• Etude de l'influence des dilatations thermiques sur la sollicitation de l'assemblage en cours (OR AIPAD)



Investigations sur le renforcement par composites collés sur structure métallique

Merci pour votre attentionMerci pour votre attention

Merci aux autres participants de ces travaux:Merci aux autres participants de ces travaux:

Christophe Aubagnac (DLA)Christophe Aubagnac (DLA)AndrAndréé FlFléétyty (DLA)(DLA)

Arnaud Gagnon (DLA)Arnaud Gagnon (DLA)Georges Youssef (DLA)Georges Youssef (DLA)

BBéérengrengèère re SollierSollier (stagiaire(stagiaire--DLA)DLA)