Renforcement et réparation des structures métalliques

Les pays industrialisés ont acquis au fil des années un patrimoine bâti considérable, il s’agit de bâtiments, ponts, routes et sites industriels. Ces ouvrages vieillissent et s’endommagent par la dégradation des matériaux, en Amérique 70 000 ponts autoroutiers métalliques ont été classés comme ayant une déficience structurelle. Et pour garantir la sécurité des personnes ou le confort des usagers il faut intervenir, on parle alors de la réfection ou de la rénovation. Quelquefois c’est la destination de l’ouvrage qui change, d’où l’adaptation aux nouveaux fonctionnements par l’utilisation du terme (générique de la réhabilitation). Les travaux de rénovation ou de réhabilitation concernent tous les corps d’état du métier de la construction: réseaux, gros œuvres, corps d’état secondaires et éventuellement l’architecture. [Sweedan et al, 2016] La réhabilitation des structures est nécessaire à chaque fois qu’il y a des erreurs de conception, des défauts d’exécution ou bien des conditions de chargements inattendus. Elle consiste à améliorer le niveau de performance d’un système structural ou de quelques éléments de celui-ci selon l’état de l’endommagement de la structure. [Rebrov, 1988] Dans ce chapitre, on a basé sur les anomalies qui existent dans les structures en charpente métallique, en plus des causes de dégradation associée aux aciers, le diagnostic, ainsi que le protocole en cas de réparation avec les diverses techniques de base et d’actualité pour cette réparation et renforcement. Diverses conditions sont prises en considération comme : le renforcement sous chargement ou non, en cours de soudure ou non, la présence de la contrainte résiduelle due au moyen d’assemblage etc.… 

Caractérisation et aciers

Les constructions métalliques sont réalisées avec les produits sidérurgiques plus au moins élaborés, selon divers procédés. L’assemblage entre les éléments confectionnant les ossatures porteuses est assuré au moyen de boulonnage, rivetage et soudage. Les aciers et les matériaux disponibles pour la réalisation de ce genre de structures possèdent différentes caractéristiques, on sélectionne les aciers doux et ceux inoxydable dont on a une limite d’élasticité assez importante. [Muzeau, 2014]

Aciers

L’acier est un matériau constitué essentiellement de fer et d’un peu de carbone, qui sont extraits de matières premières naturelles des mines de fer et de charbon. Le carbone n’intervient dans la composition avec un très faible taux (< 1 %). L’acier peut comporter d’autres éléments associés autant qu’impuretés qui allèrent les propriétés mécaniques des aciers: résistance à la rupture, dureté, limite d’élasticité, ductilité, résilience, soudabilité …etc. Ces impuretés sont : le phosphore K, soufre S, silicium Si, manganèse Mg, nickel Ni, chrome Cr, tungstène W, vanadium V, qui interviennent volontairement dans les aciers alliés. (Tableau I.1) [Hirt et al, 1992] Tableau I.1 Différents types d’aciers et utilisations. N° Types d’acier Teneur en carbone % Usage 1 Doux 0,05 < C < 0,30 Charpente, boulon 2 Mi-dur 0,30 < C < 0,60 Rail, pièce forgée 3 Dur 0,60 < C < 0,75 Outils 4 Extra-dur 0,75 < C < 1,20 outils, poinçons 5 Sauvage 1,20 < C < 1,70 Pièces spéciales 6 fonte hypo-eutectique 1,70 < C < 4,50 Pièces coulées, culasses moteurs 7 fonte hyper-eutectique 4,50 < C < 6,30 Bâlis machines. L’acier est généralement obtenu par une opération qui se produit en deux 02 phases : la première s’agit de l’introduction et la combustion de minerai de fer, de coke et de castine dans un haut-fourneau, qui permet l’obtention de la fonte (> 1,7 % de carbone). La seconde phase est procédée à la conversion de la fonte liquide en acier sous insufflation d’oxygène, à une température de 1500°C environ. Cette opération s’effectue dans un convertisseur et a pour objet de décarburer la fonte (faible pourcentage de carbone). [Hirt et al, 1992]. Les produits sidérurgiques employés en construction métallique sont obtenus par laminage à chaud (Tableau I.2). Leurs dimensions et caractéristiques sont normalisées et répertoriées sur les catalogues, par le procédé de la coulée continue, l’acier est d’abord formé en demiproduits. L’acier liquide est coulé dans une lingotière en cuivre de section carrée ou rectangulaire selon le demi-produit fabriqué. Le métal commence à former une peau solide dans la lingotière violemment refroidie à l’eau. Il est tiré vers le bas par un jeu de rouleaux et achève de se solidifier. À la base de l’installation, on extrait une barre solide, carrée ou rectangulaire, qui est découpée en tronçons de la longueur désirée. [Muzeau, 2014], [Morel et al, 1994]. 

Acier et essais normalisés

Les essais destructifs

Ils informent sur les qualités des propriétés mécaniques des aciers, tels que: l’essai de traction qui constitue l’essai mécanique le plus classique dont les procédures sont totalement normalisées (NF EN ISO 6892, révisé 09-B10). Il permet de connaître plusieurs paramètres tels que la limite d’élasticité fy, la limite de rupture fu, les modules d’élasticité longitudinale et transversale (E, G), l’allongement à la rupture εu, l’allongement à la limite d’élasticité εy, et le coefficient de poisson ν. [Morel, 1994], [Persy, 2014]. La figure I.1 montre quatre zones très intéressantes, la première zone rectiligne (OA) dont les allongements sont proportionnels aux efforts appliqués, c’est le domaine élastique. La deuxième zone (AA’) qui est un palier horizontal, il traduit un allongement sous charge constante, il s’agit d’un écoulement du matériau (la plasticité). Pour la troisième zone (A’B) la charge continue à croitre avec les allongements jusqu’à atteindre le point B. La quatrième zone (BC) l’allongement continue bien que la charge soit décroissante jusqu’au point, se qui correspond à la rupture. [Hirt et al, 1992], [Persy, 2014] L’essai de dureté, qui étudie la pénétration d’une bille ou d’une pointe dans l’acier, et qui définit des degrés de dureté (duretés Brinell, Rockwell et Vickers). L’essai de résilience, qui permet de mesurer l’aptitude d’un acier à se rompre par choc. L’essai de pliage est spécifique aux assemblages soudés. Ils permettent de mettre en évidence la présence de défauts de Chapitre I Etude bibliographique 8 surface ou proches de la surface et, dans certains cas, d’apprécier des modifications de ductilité dans la zone fondue ou dans la zone affectée par la température suite à l’opération de soudage. L’essai de fatigue qui est lorsqu’un élément est soumis à des efforts répétés alternés, tout matériau peut se fissurer et se rompre, alors que l’effort appliqué n’entraîne pas de contrainte supérieure à la limite de rupture. [Plumier, 2006], [Landowski, 2005]