Réhabilitation et renforcement des structures en béton pour un avenir durable

Dans un monde de plus en plus axé sur la durabilité, l'appel à réutiliser et à adapter notre environnement bâti n'a jamais été aussi fort. Si la démolition et la reconstruction peuvent sembler repartir de zéro, il existe un argument convaincant, et souvent sous-estimé, en faveur du renforcement des structures en béton existantes. Il ne s'agit pas seulement d'un défi technique, c'est un pari judicieux sur les coûts, le patrimoine et la planète.

Prévention plutôt qu'effondrement

Dans le monde entier, ce besoin devient urgent. Les ponts et bâtiments vieillissants, dont beaucoup ont été conçus selon des normes obsolètes et utilisés bien au-delà de leur durée de vie initiale, nécessitent désormais une réévaluation et une revitalisation. En Europe, en Amérique du Nord et dans la région Asie-Pacifique, des dizaines de milliers de structures sont déjà classées en mauvais état ou déficientes, et beaucoup d'autres attendent une investigation détaillée. Les effondrements récents, comme celui du pont Morandi à Gênes ou la rupture partielle à Dresde, rappellent de manière saisissante ce qui se passe lorsque le renforcement intervient trop tard. Des normes internationales telles que ISO 13822, le manuel d'évaluation des ponts de l'AASHTO et les orientations émergentes de l'Eurocode favorisent un changement de paradigme : évaluer d'abord, renforcer ce qui compte, et prolonger la durée de vie utile des structures sur lesquelles nous comptons chaque jour.

Effondrement partiel du pont Carola/Elbe (Dresde, 11 sept. 2024) et Ponte Morandi (Gênes, Italie, 14 août 2018) 

Mais il n'est pas toujours nécessaire de parler de structures importantes ; parfois, un petit détail peut avoir une importance considérable et prévenir des problèmes majeurs.

Voyez, par exemple, un court porte-à-faux modélisé dans IDEA StatiCa Detail en utilisant les paramètres de ferraillage existants, mais évalué pour de nouvelles charges conformément aux normes actuelles. Sur la première image, vous pouvez voir la disposition du ferraillage, le taux de travail et les contraintes dans les barres. La structure est défaillante, la capacité étant limitée par des contraintes de traction excessivement élevées que le ferraillage existant ne peut pas supporter.

L'image suivante montre la version renforcée, utilisant désormais des barres non adhérentes. Cela élimine presque entièrement les contraintes de traction dans le ferraillage et supporte en toute sécurité les charges à l'état limite ultime, démontrant comment un renforcement ciblé peut améliorer considérablement les performances, même dans un élément apparemment mineur.

Nous aborderons IDEA StatiCa Detail et l'éventail de fonctionnalités qu'il offre pour le renforcement plus loin, mais pour l'instant, concentrons-nous sur la question que soulève cet exemple...

Ancien béton, nouvelles règles

Les structures en béton construites il y a plusieurs décennies ont été conçues selon des normes très différentes. Les propriétés des matériaux étaient supposées plutôt que mesurées. Le ferraillage était souvent lisse au lieu d'être nervuré. Les longueurs d'ancrage étaient plus courtes. Le détaillage dans les régions D était plus simple, parfois trop simple. Des fissures ont pu se développer progressivement au fil des années de service, mais elles doivent désormais être prises en compte dans une nouvelle réalité de chargement.

Barres lisses – image tirée de Experimental behaviour of anchored smooth rebars in old type reinforced concrete buildings, par Giovanni Fabbrocino, Gerardo M. Verderame, Gaetano Manfredi

Toutes ces incertitudes s'accumulent. Les ingénieurs découvrent souvent que le matériau existant ne correspond tout simplement pas aux hypothèses requises par les normes actuelles. Surtout lorsque la vérification est principalement basée sur des schémas empiriques déterminés par des essais et l'expérience, mais dans des conditions complètement différentes ! L'analyse linéaire standard perd de sa pertinence. Et la question devient soudainement : Quelle est la capacité réelle de cet élément structurel existant aujourd'hui, et non il y a plusieurs décennies ?

Renforcement ou reconstruction

Lorsqu'on compare le renforcement d'une structure existante à la construction d'une nouvelle, les réponses penchent de plus en plus vers la réhabilitation, tant sur le plan financier qu'environnemental. Il est curieux que les gens se concentrent sur la substituabilité principalement dans le contexte de nouveaux matériaux. C'est peut-être intéressant, mais seulement tant que l'on construit sur un terrain vierge et que l'on n'a pas à gérer la démolition. Honnêtement, l'approche la plus écologique est parfois simplement la réutilisation.

La démolition et la nouvelle construction génèrent de grandes quantités de déchets, détruisent le carbone incorporé déjà investi dans la structure et nécessitent la production de nouveau béton et d'acier. Le renforcement, en revanche, préserve ce qui existe déjà, réduisant considérablement les émissions de carbone. 

Du point de vue des coûts, le renforcement peut souvent être réalisé plus rapidement et à moindre coût que la reconstruction. Les fondations existantes sont conservées. Les ossatures structurelles sont conservées. Les perturbations sont moindres. Dans de nombreux cas, une réhabilitation bien conçue permet non seulement de se conformer aux normes modernes, mais aussi d'améliorer les performances et la durée de vie.

Renforcement de pont – image tirée de Bridge Engineering - Selected Issues, par Tomasz Siwowski

IDEA StatiCa Detail

Plutôt que de s'appuyer sur des hypothèses conservatives ou des modèles trop simplifiés, la Méthode du Champ de Contraintes Compatible aide les ingénieurs à simuler de manière réaliste la redistribution des contraintes. 

La Méthode du Champ de Contraintes Compatible (CSFM) est une extension des méthodes Bielle-et-tirant (B&T) et des Champs de Contraintes. C'est une méthode non linéaire moderne pour l'analyse des régions D et des éléments dont le comportement peut être simplifié à un état de contrainte plane, c'est-à-dire un modèle 2D. Consultez l'article suivant pour comprendre les bases : Le CSFM expliqué

En utilisant IDEA StatiCa Detail, les ingénieurs peuvent modéliser et analyser n'importe quelle géométrie, quelle que soit sa complexité, et obtenir des résultats tels que les champs de contraintes et de déformations, les largeurs de fissures et les chemins de charge. Cet outil prend en charge les normes ACI et EN, ce qui le rend polyvalent pour divers projets. 

Les avancées récentes d'IDEA StatiCa Detail rendent la réhabilitation beaucoup plus précise et efficace. Deux fonctionnalités particulièrement pertinentes sont :

1. Câbles de précontrainte non adhérents : Contrairement à la post-tension traditionnelle adhérente, les câbles de précontrainte non adhérents ne s'appuient pas sur l'adhérence avec le béton sur toute leur longueur.

• Cela est particulièrement utile pour le renforcement des régions D : par exemple, des câbles de précontrainte verticaux dans des corbeaux ou des extrémités réduites peuvent fermer les fissures, redistribuer les contraintes et renforcer sans ancrage invasif.

• Lors du renforcement de béton très ancien (déjà partiellement fluant), le coefficient de fluage pour la précontrainte doit être ajusté à la baisse pour éviter de surestimer les effets. IDEA StatiCa permet cette nuance.

2. Barres de ferraillage lisses : IDEA StatiCa Detail prend également en charge les barres lisses (c'est-à-dire non déformées) dans la conception et l'analyse.

• Ces barres peuvent ressembler davantage à un ferraillage plus ancien ou offrir des détails d'ancrage plus simples.
• La combinaison de barres lisses avec des câbles de précontrainte non adhérents peut rendre le renforcement de poutres préfabriquées vieillissantes, de dalles à nervures ou de régions D plus efficace, précis et économique.

3. Ancrage de structure acier dans le béton : Lors de projets de réhabilitation ou de renforcement, il est très courant de combiner des matériaux en ancrant de nouvelles structures acier dans du béton armé existant. Avec IDEA StatiCa Detail (module 3D), ces assemblages peuvent être modélisés en utilisant un comportement matériau réaliste, capturant le transfert de charge non linéaire entre l'acier et le béton.

Respecter le passé

La réhabilitation n'est pas seulement un problème d'ingénierie, c'est un acte de responsabilité. Nombre des structures en béton qui existent aujourd'hui sont bien plus que de simples éléments de construction ; elles portent une valeur historique, sociale et culturelle. En les renforçant, nous préservons leur histoire, prolongeons leur vie fonctionnelle et associons durabilité et héritage. En fin de compte, la réhabilitation ne consiste pas seulement à réparer. Il s'agit de transformer ce qui existe déjà en quelque chose qui peut continuer à servir la société pendant des décennies.

Exemple d'évaluation et de réhabilitation d'un bâtiment existant - image tirée de New European Technical Rules for the Assessment and Retrofitting of Existing Structures, par P. Luechinger, J. Fischer, Christis Z Chrysostomou, Peter Tanner

Beaucoup d'entre vous connaissent tous les avantages, mais préfèrent néanmoins opter pour la démolition et la conception de nouveaux ouvrages, et nous savons pourquoi. Une telle tâche est très difficile à appréhender, que ce soit en raison d'une documentation insuffisante, de méthodes imprécises ou des effets du temps sur la structure. Le travail d'ingénierie est souvent unique et nécessite une compréhension approfondie du problème avec très peu d'exemples sur lesquels s'appuyer, et c'est là que le CSFM, (disponible dans IDEA StatiCa Detail) est utile.

Conclusion

La réhabilitation et le renforcement des structures en béton existantes ne sont pas simplement une option de second choix, c'est un choix tourné vers l'avenir. Avec les bons outils et analyses, les ingénieurs peuvent surmonter les défis techniques posés par le ferraillage ancien, les régions fissurées et le comportement incertain des matériaux. Par ailleurs, les autres bénéficient d'un impact environnemental réduit et de la préservation du patrimoine. Quant aux économies réalisées… je laisse cela à votre imagination.