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31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
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Evaluation de murs maçonnés renforcés
par matériaux composites PRF et
importance de l’ancrage expérimental
Loan Thi BUI, Nadège REBOUL, Amir SI LARBI(*),
Emmanuel FERRIER
Université de Lyon, Université Lyon 1, Laboratoire Génie Civil et Ingénierie
Environnementale (LGCIE), INSA de Lyon, 82 bd Niels Bohr, F-69622
Villeurbanne, France
(*) Auteur correspondant : [email protected]
RESUME. Le renforcement des murs maçonnés par matériaux composites fait l’objet d’un
nombre croissant d’études, pour autant l’opportunité et l’influence de solutions
technologiques telles que les ancrages mécaniques ont été très peu explorées et très rarement
dans le cas de murs sollicités dans leur plan. La présente étude à caractère exploratoire vise
à étudier l’incidence de système d’ancrage sur les performances globales et locales des murs
renforcés sur la base d’essais qui ont été effectués sur des murs de maçonnerie renforcés et
non-renforcés sous chargement de compression-cisaillement dans leur plan.
ABSTRACT. The strengthening of masonry walls by composite materials is the subject of a
growing number of studies. However the opportunity and the influence of technological
solutions such as mechanical anchors were very few and very rarely explored in the case of
walls loaded in their plane. This study aims to investigate the impact of anchor system on the
global and local performances of reinforced walls on the basis of tests that have been carried
out on reinforced and non-reinforced masonry walls under in-plane shear loading.
MOT-CLES :
Ancrage, renforcement, maçonnerie, PRF, cisaillement dans plan.
KEY WORDS: Anchorage,
strengthening, masonry, FRP, shear plane.
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1.
2
Introduction
De nombreuses structures en maçonnerie doivent être renforcées pour supporter
des charges extrêmes comme des tremblements de terre. Plusieurs solutions sont
susceptibles de répondre à ce besoin, néanmoins c’est bien l’emploi de composite
PRF (Polymère Renforcé de Fibres) qui est actuellement en plein essor notamment
du fait de performances mécaniques élevées et d’une facilité relative de mise en
œuvre. Les composites PRF peuvent être appliqués suivant plusieurs schémas à la
surface des structures maçonnées dans le but d’entraver, de différer voire
d’empêcher le glissement et le cisaillement des joints sous un chargement
prioritairement de cisaillement plan. Toutefois, l’efficacité, et partant la valorisation,
des solutions de renforcement par PRF passent inévitablement par une connexion
adéquate entre le système de renfort et la fondation sur laquelle repose le mur
renforcé. En effet, si ce dernier est suffisamment renforcé mais n’est pas connecté
adéquatement à la fondation, il n’y aura pas d’augmentation significative de la
capacité portante.
L’étude sur l’importance du système d’ancrage pour des structures maçonnées
renforcées par PRF est encore limitée. Laursen et al. (1995) ont étudié les
connexions ductiles et fragiles utilisées en combinaison avec les renforts FRP. Les
connexions sont utilisées sur les murs maçonnés renforcés pour des sollicitations de
type flexion hors plan. Les bandes verticales de carbone ont été collées au mur de
maçonnerie et ancrées à la fondation en utilisant différentes techniques
d’ancrage (cornières d’ancrage, Simpson Tie ancrage, filet de béton). A partir de ces
essais, il a été constaté que le système d’ancrage influence la capacité des murs
renforcés où l’ancrage par Simpson Tie permet d’obtenir plus de déplacement,
cependant la résistance est maintenue et une rupture fragile a été observée dans les
trois autres solutions d’ancrage. Shohei MAEDA (2010) de l’université Hokaido Japon a effectué une étude sur les performances de certains systèmes d’ancrage des
murs de maçonneries de remplissage renforcés par FRP. Dans les essais
expérimentaux sous charge hors plan, les renforts FRP sont ancrés aux éléments de
support en utilisant quatre types d’ancrage différents. Les résultats des essais ont
montré que le renforcement PRF de la maçonnerie peut conduire à une augmentation
substantielle de la capacité portante quand un bon ancrage du PRF à des éléments de
support est assuré. En revanche, lorsqu’un ancrage inadéquat est utilisé, le mode de
rupture peut changer passant d’une rupture ductile à une rupture fragile. Malgré le
fait que ces essais effectués portent sur des sollicitations hors plan ainsi que sur le
mur de maçonnerie de remplissage, ils nous montrent l’importance du système
d’ancrage dans des murs renforcés par PRF et suggèrent son opportunité dans le cas
de renforcement dans le plan justifiant dès lors la conduite de la présente étude.
2.
Objectif de l’étude
Les essais retenus, compression -cisaillement, sont censément représentatifs de
l’état de contrainte subi par un mur lors d’une sollicitation sismique ou de vent. Pour
autant, la présente étude se limitera à la considération du comportement sous
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sollicitations statiques afin d’identifier les potentialités de l’ancrage mécanique et de
quantifier son influence sur les comportements global et local.
3.
Les corps d’épreuve
Les essais de compression-cisaillement sont basés sur un mur témoin (nonrenforcé) et trois murs renforcés par différents schémas de renforcement PRF.
3.1. Mur de maçonnerie
Il s’agit de murs maçonnés de béton creux constitués de parpaings courants du
groupe 2 de dimensions 500x200x75 mm3, de classe B40 avec une résistance
caractéristique à la compression de 4MPa (conformément à la norme NF EN773-1).
Les dimensions du mur sont choisies de manière à être adaptées à la capacité
portante du bâti du laboratoire tout en veillant à contenir un nombre suffisant de
blocs et de joints de mortier en accord avec les recommandations techniques RILEM
[RILEM(1991) TC 76-LUM]. Par conséquent, les murs mis en œuvre sont de
dimensions totales 1030x1410x75mm3 et contiennent six rangées en hauteur et
quatre blocs en largeur. Ces blocs sont reliés à l’aide d’un mortier de ciment
Portland (CEM I). Les murs sont surmontés d’une arase de béton. Il convient de
noter que l’ensemble des murs reposent sur des semelles en béton armé
dimensionnée pour éviter tout endommagement.
3.2. Renforcement des murs par PRF
A
Trois schémas de renforcement ont été proposés. Le premier mur, nommé mur
MRCG, a été renforcé par une combinaison de composites CFRP (Carbon Fiber
Reinforced Polymer) et GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) dans le but
d’améliorer sensiblement la capacité portante. Chaque côté de chaque face est
renforcé par une bande continue contenant deux couches de verre mesurant
1210x400mm2 et deux bandes discontinues de carbone ayant les dimensions de
1410x60mm2, la distance horizontale entre deux bandes est de 100mm. Les deux
derniers murs, quant à eux, ont été renforcés soit par des bandes discontinues de
CFRP (mur MRC), soit de GFRP (mur MRG) afin de tendre vers un compromis
entre la capacité portante et l’aptitude à la déformation, Figure 1Figure 1.
e = 75
150
hmor
150
1030
beton d'arase
1410
200 75
1260
1260
hmor
Mortier
Parpaing
300
300
Semelle de beton armee
A
Parpaing
Section A-A
400
250
MNR
Figure 1 : Mur de maçonnerie et Trois schémas de renforcement par FRP
3.2.1. Renforts composites PRF
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Les renforts composites utilisés sont de type tissu en fibre de carbone et de verre
bidirectionnel (CFRP et GFRP respectivement
3.2.2. Résine époxy
Le collage s’effectue au moyen d’une résine époxy de type « l’EPONAL TFC »
qui est constitué d’une partie résine et d’une partie durcisseur.
3.2.3. Mise en œuvre des renforts
La mise en œuvre des renforts se déroule comme suit :
 Préparation
des surfaces du mur : avant le collage des composites, les
surfaces du mur ont été nettoyées pour limiter les défauts d’accrochage,

Réalisation du collage des tissus composites : le collage est fait par des
résines bi-composantes (EPONAL TFC).
3.2.4. Solution d’ancrage
Les renforts composites sont ancrés à la fondation de béton armé en utilisant une
mèche d’ancrage standard TFC. Cette mèche d’ancrage est constituée d’un
assemblage de fibres de carbone composé de deux parties :
 L’ancrage : une partie destinée à être enfilée et scellée dans un forage dans le
béton, à l’aide d’une tige de scellement.
 Le fouet : une partie fibreuse destinée à être stratifiée avec le composite
La mise en œuvre des ancrages consiste à :
 Percer des trous de longueur 150mm et de diamètre 16mm dans la semelle de
béton armé puis les nettoyer et remplir avec de la résine époxy à deux
composants EPONAL380.
 Introduire la mèche dans le trou préalablement percé et remplir de résine à
l’aide d’une tige de scellement.
Le fouet est écarté en corolle pour être incorporé dans le matriçage de la couche
de TFC en place. Le matriçage est réalisé avec l’adhésif du PRF par une spatule à
enduire de 30 à 50 mm de largeur en pressant des fibres dans le sens du fil.
4.
Approche expérimentale
Ces murs sont testés par l’essai de compression-cisaillement, monotone et de
type fixe-libre (console verticale simple). Ces charges et ces conditions aux limites
sont réalisées de manière suivante :
Un chargement vertical (N) est appliqué sur les murs à tester par un vérin d'une
capacité de (200kN). Ce vérin est associé à un capteur de force positionné sur une
plaque métallique qui est elle-même située au milieu de l’arase de béton. Ces
équipements sont tenus par l’intermédiaire d’une traverse métallique reposant sur
des tiges ancrées à la fondation.
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Traverse metalique
Capteur de force
Actionneur hydraulique
Capteur de force
Verin hydraulique
Tiges filetées
poutres métaliques
Mur
Traverse metalique
Mur de reaction
Tiges
Figure 2 : Dispositif de l’essai compression-cisaillement
L’effort horizontal (V) est appliqué au moyen d'un actionneur hydraulique
programmable de capacité (500kN), appliqué sur une face latérale de l’arase béton.
Cet actionneur hydraulique associé à un capteur de force est tenu par un système de
poutres et plaques métalliques fixées sur un mur de réaction de béton capable de
supporter un effort de ± 500 kN horizontalement. La semelle en béton armé est fixée
au sol à ses deux extrémités grâce à des traverses et des tiges d’acier. L’ensemble de
ces dispositifs est représenté dans la Figure 2Figure 2.
Figure 3: Position des capteurs LVDT et des jauges
Au cours du chargement, les résultats sont enregistrés grâce à des capteurs de
force, des capteurs LVDT et des jauges (se reporter à la Figure 3Figure 3). Il s’agit
de deux capteurs de force verticale et horizontale ; un capteur LVDT en tête et un
autre à mi-hauteur sur la face latérale du mur ; deux autres capteurs LVDT le long
de deux bielles diagonales. La condition de la base fixée sera vérifiée à l’aide d’un
capteur LVDT disposé sur la face latérale de la semelle du mur. Par ailleurs, dans le
but de pouvoir analyser le taux de travail des renforts, des jauges de déformation ont
été placées verticalement et groupées selon trois lignes en hauteur (au niveau du bloc
ou du mortier) et trois colonnes en largeur du mur - deux de ces colonnes de jauge
renseignent sur les déformations en pied, du côté où est appliqué l’effort horizontal
tandis que la dernière colonne mesure les déformations en pied du côté opposé. Ces
jauges sont numérotées de J1 à J9.
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Ces essais de compression-cisaillement sont effectués en considérant deux
étapes. Premièrement, la charge verticale est appliquée progressivement jusqu’à une
valeur 0,2MPa de contrainte de pré-compression correspondant à 10% de la
résistance à la compression de la maçonnerie pour représenter la charge du poids
propre. Puis cette charge est maintenue constante tout au long de l’essai et la charge
latérale est appliquée de manière quasi-statique, monotone en contrôlant la vitesse
de déplacement (0,015mm/s). L’application de la charge latérale est stoppée lorsque
les panneaux de maçonnerie présentent une rupture évidente correspondant à une
chute sensible de l’effort repris.
5.
Analyse des résultats
5.1. Modes de rupture
Tous les modes de rupture des murs testés sont représentés dans la Figure
4Figure 4. Sous ces conditions aux limites et de chargement, la rupture observée de
ce mur non-renforcé est caractérisée par le mécanisme de flexion combiné entre la
traction des joints horizontaux et l’écrasement du bloc inférieur comprimé.
MNR : rupture en flexion
MRCG : Cisaillement de la maçonnerie et des ancrages
MRC : Cisaillement diagonale
MRC : Cisaillement de la maçonnerie
Figure 4 : Mode de rupture des murs renforcés par PRF
Pour le premier mur renforcé par une combinaison de CFRP et GFRP (mur
MRCG), initialement les fissures se produisent dans la zone centrale non-renforcée.
Mais alors que ces fissures n’ont pas encore pu se propager latéralement (car cette
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zone non-renforcée est petite et les zones renforcées sont très rigides), il semble que
l’on atteigne la limite des ancrages de l’extrémité de charge. Par conséquent, on a
observé des ruptures des ancrages du mur MRCG qui entraînent une brusque rupture
de ce mur. Cependant, cet effondrement brutal ne se produit pas dans les deux autres
murs renforcés (MRC et MRG). La rupture prédominante de ces derniers murs
correspond à un cisaillement de la maçonnerie, initié au centre du mur et qui se
propage le long de la diagonale comprimée du mur (dans le mur MRC) ou le long de
la frontière de zone non-renforcée (dans le mur MRG). Ces modes de rupture sont
reliés directement au comportement global : le mur MRCG tend à présenter un
comportement global fragile tandis que les deux autres murs MRC et MRG (voir la
Figure 5Figure 5) se montrent ductiles.
5.2. Comportement global : courbes charge-déplacement latéral
Toutes les courbes de force – déplacement latéral en tête du mur des murs testés
sont superposées sur la Figure 5Figure 5.
L ‘ensemble des courbes présente un comportement non-linéaire. Toutes les
courbes se caractérisent par une première phase linéaire puis apparaît un
comportement non-linéaire, correspondant à l’apparition et à la propagation des
fissures dans la maçonnerie jusqu’au pic. Apres ce pic, il y a une dégradation de la
résistance.
Figure 5 : Comportement global des murs testés
Afin d’analyser plus finement les performances de ces murs sur la base
d’indicateurs judicieux, les courbes de comportement expérimental seront idéalisées
sur la base du diagramme tri-linéaire qui est proposé par Tomazevic (1997), Figure
6Figure 6a.
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a,
8
b,
Figure 6 : a- Diagramme idéalisé tri-linéaire ; b- Courbes idéalisées des murs.
Ce diagramme idéalisé est établi en se basant sur l’existence de trois phases
déterminées sur la courbe expérimentale. La première phase, élastique, prend fin à la
charge latérale Vcr et au déplacement dcr qui correspond à la formation de la
première fissure importante, à l’origine d’un changement de raideur initiale. Cette
valeur est déterminée conventionnellement car le comportement de la maçonnerie
est fortement non-linéaire même si la charge est relativement faible ; Selon l’étude
du Tomazevic (1997) Vcr est égale à 70% de la résistance maximale Vmax. La
deuxième phase s’étend jusqu’à la résistance maximale V max et le déplacement dVmax.
Enfin, la phase ultime (Vu) est caractérisée par la charge ultime égale à 80% de la
résistance maximale et le déplacement ultime (du) correspondant à la branche de
dégradation. Toutes les courbes expérimentales sont idéalisées selon cette méthode
et sont représentées dans la Figure 6Figure 6b.
Les paramètres calculés des diagrammes tri-linéaires sont résumés dans le
Tableau 1Tableau 1
Tableau 1 : Résumé des paramètres calculés à partir des diagrammes trilinéaires
Dans ce tableau, () est le taux de renforcement, calculé comme le rapport entre
la surface totale de la section horizontale des renforts (Afrp,h) et celle du mur (Amur,h).
Kel, u et Ediss sont des paramètres inélastiques, respectivement la rigidité initiale, la
ductilité et l’énergie de dissipation.
A partir de ces résultats, on peut constater que les trois schémas de renforcement
permettent d’améliorer de manière importante la capacité portante du mur (trois fois
(MRC) à cinq fois (MRCG et MRG) par rapport au mur de référence). Le
déplacement maximal n’augmente que dans les cas des murs MRC et MRG. La
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diminution de ce déplacement dans le cas du mur MRCG peut être imputée à la
rupture des ancrages sans propagation des fissures à l’intérieur de ce mur.
Figure 7 : Diagrammes de la résistance, du déplacement maximal, de la
ductilité et de l’énergie de dissipation
Pour ce qui est de la rigidité élastique Kel, définie comme la raideur sécante de la
branche élastique linéaire, à partir de la Figure 6Figure 6b on peut noter qu’il n’y a
pas d’effet très significatif des renforts FRP sur ce paramètre. En ce qui concerne la
capacité de déformation inélastique représentée par la ductilité à l’état limite ultime
( =du/dcr), on trouve que ce paramètre est plus petit pour les murs renforcés que
pour le mur non- renforcé. Ce paramètre se révèle toutefois insuffisant à des fins
d’appréhension des capacités dissipatives du mur dans la mesure où il est
sensiblement tributaire du niveau de déformation élastique, lequel est sensiblement
augmenté par la présence du renfort. D’ou la nécessité de compléter les indicateurs
par l’énergie de dissipation (Ediss), calculé à partir des diagrammes idéalisés trilinéaires. Ce dernier augmente quel que soit le mode de renforcement.
L’accroissement est manifeste pour le mur MRG (six fois par rapport MNR), moins
importante mais toujours notable pour les deux autres murs (trois fois par rapport
MNR). Ce résultat est de nature à justifier a priori ce type de solutions dans la
perspective d’un renforcement vis-à-vis de sollicitations à fort besoin dissipatif tels
que les séismes.
6.
Conclusion
Le comportement et particulièrement l’influence des ancrages sur les
performances des murs renforcés par PRF ont été étudiés par des essais de
compression-cisaillement de type monotone quasi-statique. Basées sur les résultats
présentés, les remarques suivantes sont retirées :
 Les
renforts de type PRF permettent d’augmenter la capacité portante de
façon significative.
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 La
rigidité élastique des murs renforcés n’a
substantiellement par ces schémas de renforcement.
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pas
été
modifiée
 La
capacité de déformation inélastique n’est pas améliorée dans des murs
renforcés par FRP dont la ductilité est plus petite que celle du mur de
référence.
 Un renfort de type GFRP dont le module Young est plus petit semble plus
compatible avec la maçonnerie qu’un renfort de type CFRP.
 Les
ancrages dans des murs renforcés jouent un rôle très important sur les
performances. Si les ancrages sont assurés, ils permettent aux renforts de
contribuer pleinement à la reprise des efforts. En revanche, s’il y a des
problèmes d’ancrage, la contribution des renforts est limitée et donc les
performances globales des murs renforcés dans ce cas restent limitées.
Référents
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