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Matériaux de construction en fibre de carbone

Matériaux de construction en fibre de carbone

Caractéristiques et utilisation des matériaux de construction en fibre de carbone, le système de renforcement structural qui a révolutionné le secteur du bâtiment

L’utilisation des fibres de carbone dans le bâtiment est une technique relativement récente mais représentant une solution extraordinaire dans le domaine du renforcement structurel. Cet article explore le monde innovant du renforcement en fibres de carbone, mettant en lumière ses applications révolutionnaires. Découvrons ensemble comment ce matériau de pointe change le visage de la construction moderne, offrant des solutions polyvalentes et résistantes pour les défis structurels futurs.

Si vous êtes intéressé par ces nouvelles solutions de conception mais craignez de ne pas pouvoir les gérer pleinement et de ne pas respecter les prescriptions des normes techniques, vous pouvez utiliser un logiciel de calcul structurel qui vous aidera à concevoir en toute sécurité.

Qu’est-ce que les fibres de carbone dans le bâtiment

Les fibres de carbone (ou CFRP Fiber Reinforced Polymers), fournies sous forme de rubans ou de treillis, sont de plus en plus utilisées dans le domaine du bâtiment pour le renforcement structurel des éléments existants. Dans d’autres cas, sous forme de barres de renforcement (appelées C-Bar), elles remplacent l’armature classique en acier.

Les rubans et treillis en fibre de carbone sont composés de : 

  • fibres qui représentent le matériau structurel ;
  • résine qui a pour but de servir de matrice et de « lier » ensemble les fibres.

Les fibres de carbone utilisées pour le renforcement structurel présentent des propriétés mécaniques remarquables et une résistance élevée, tout en maintenant un poids très réduit. Cette caractéristique permet leur utilisation dans le renforcement des bâtiments existants sans compromettre significativement le poids des éléments structurels, évitant ainsi une augmentation excessive des charges d’exploitation.

Les fibres de carbone présentent également une faible absorption d’eau, d’environ 0,1%, ce qui les rend adaptées à une utilisation même dans des environnements très humides. Elles répondent également aux exigences en matière de protection contre les incendies grâce à leur résistance aux hautes températures.

Cependant, malgré les avantages, les fibres de carbone présentent quelques inconvénients, en particulier liés à la conception et à la réalisation. Il est essentiel qu’elles soient conçues soigneusement par des techniciens spécialisés et installées par du personnel compétent et suffisamment formé.

Ces dernières années, l’utilisation la plus évidente des fibres de carbone dans le secteur de la construction concerne le renforcement structurel des nœuds poutre-pilier par l’application de rubans en fibre. Ces interventions visent à accroître la résistance au cisaillement de la poutre et du pilier au point de convergence.

En effet, les nœuds poutre-pilier représentent des points faibles dans les structures ossaturées en béton armé conçues en tenant compte principalement des charges verticales. Cette vulnérabilité est souvent due à la faible présence d’armature au cisaillement dans ces zones. Lors du renforcement, on cherche à restaurer la hiérarchie correcte des résistances entre les éléments, conformément aux Normes Techniques de Construction, en utilisant des rubans spécifiques en fibre de carbone. Cela confère à la structure une plus grande robustesse et une meilleure résistance aux charges horizontales, telles que celles générées par un événement sismique.

Les fibres de carbone peuvent être classées en fonction de la direction dans laquelle elles sont orientées. Les principales catégories comprennent les fibres unidirectionnelles, bidirectionnelles et quadri axiales.

Voici les principales différences entre celles-ci : 

  • Fibres unidirectionnelles – alignées dans une seule direction
    • Propriétés mécaniques : Offrent des performances élevées en termes de résistance et de rigidité le long de l’axe d’orientation, mais ont des propriétés inférieures dans d’autres directions.
    • Applications : Idéales pour des applications nécessitant une résistance dans une direction spécifique, comme dans les poutres de renfort.
  • fibres bidirectionnelles – alignées dans deux directions orthogonales entre elles (généralement le long des directions 0° et 90°).
    • Propriétés mécaniques : Offrent une résistance à la fois selon l’axe x et l’axe y, offrant un compromis entre résistance et flexibilité.
    • Applications : Utilisées dans des situations nécessitant une résistance dans plus d’une direction, comme le renforcement de dalles ou de murs.
  • Fibres quadri-axiales – orientées le long de quatre directions principales (généralement 0°, 90°, ±45°).
    • Propriétés mécaniques : Offrent une résistance dans les quatre directions, offrant une plus grande flexibilité et adaptabilité par rapport aux fibres unidirectionnelles ou bidirectionnelles.
    • Applications : Adaptées pour des applications complexes nécessitant une résistance omnidirectionnelle, comme dans des composants structurels complexes ou dans des conditions de charge variable.

En résumé, le choix entre les fibres unidirectionnelles, bidirectionnelles et quadri axiales dépend des besoins spécifiques de l’application.

Comment concevoir une intervention de renforcement avec FRP

Les interventions avec des fibres renforcées au carbone sont relativement récentes. C’est pourquoi concevoir des interventions de renforcement avec cette technique qui respectent les normes techniques du bâtiment peut effrayer les professionnels. Pour travailler en toute sécurité, l’utilisation d’un logiciel de calcul structurel peut être très utile pour gérer pleinement ce type d’intervention, que ce soit pour les structures en maçonnerie porteuse ou pour les structures à ossature en béton armé.

Nous vous proposons ci-dessous des vidéos qui vous montrent comment procéder sans problème.

 

Installation des fibres de carbone pour le renforcement structurel du nœud poutre-pilier

Les fibres de carbone représentent un élément clé dans les interventions de consolidation structurelle, utilisées en combinaison avec des résines époxydes. La synergie entre les fibres et les résines constitue un système complexe qui nécessite l’utilisation précise des « ingrédients » appropriés et le respect de procédures spécifiques. Pour appliquer correctement les tissus en fibre de carbone, il est nécessaire de suivre les étapes décrites ci-dessous : 

  • Phases de l’application : 
    • Préparation du support à renforcer : pour les surfaces en maçonnerie, enlever les enduits et les matériaux friables, obtenant un support sain et compact. Pour les éléments structuraux en béton armé, enlever complètement le béton altéré et traiter les fers saillants, puis restaurer la section de l’élément structurel pour obtenir un support aussi lisse et uniforme que possible. Pour les maçonneries comme pour les ouvrages en béton armé, il est important avant d’appliquer les tissus en carbone de chanfreiner les bords de l’élément à renforcer (en obtenant un rayon d’au moins 20 mm), afin d’éviter tout dommage et toute rupture possible de la fibre de carbone. Une fois cette opération effectuée, une reconstruction peut être réalisée en utilisant des mortiers à base de chaux ou de béton cimenté.
    • Application du primaire : utiliser un apprêt époxy sur des supports secs et dépoussiérés. Le primaire élimine la poussière résiduelle, augmente la résistance des surfaces, favorise l’adhérence ultérieure de la résine et empêche le passage de l’eau.
    • Application de l’adhésif pour collage structurel : attendre entre 6 et 36 heures après l’application du primaire pour passer à l’étape suivante d’application de l’adhésif thixotrope. Après la période d’attente, appliquer un enduit époxyde bicomposant sur le support avec une spatule métallique pour niveler les irrégularités;
    • Collage du tissu en carbone : il s’agit d’une opération simple mais à effectuer avec attention. Tout d’abord, il faut presser le tissu dans la résine à l’aide d’un rouleau métallique pour éviter la formation de bulles d’air, évitant ainsi d’endommager les fibres;
    • Imprégnation du tissu en carbone : une fois la phase de collage terminée, procéder à l’imprégnation du tissu avec de la résine époxyde bi-composant fluide, à l’aide d’un pinceau ou d’un rouleau. L’opération doit être effectuée lentement et en plusieurs passes. Une fois le cycle d’application terminé, le système de renforcement peut être recouvert de couches de finition.

Avantages et inconvénients de l’utilisation de fibres de carbone dans la construction

Par rapport aux méthodes traditionnelles de renforcement structurel, les fibres de carbone se distinguent certainement par leur résistance mécanique élevée et leur impact minimal sur l’intervention. Voyons en détail les avantages et les inconvénients.

Avantages : 

  • Performances mécaniques élevées : les fibres de carbone offrent une résistance et une rigidité remarquables, améliorant la capacité de charge et la stabilité des structures.
  • Poids réduit : malgré des propriétés mécaniques avancées, les fibres de carbone sont légères, ce qui contribue à ne pas augmenter le poids total des structures renforcées.
  • Résistance aux conditions environnementales : les fibres de carbone sont résistantes à l’humidité et ont une faible absorption d’eau, ce qui les rend adaptées à une utilisation dans des environnements humides sans compromettre leurs propriétés.
  • Résistance aux hautes températures : le carbone conserve sa résistance à des températures élevées, répondant efficacement aux exigences de conception anti-incendie.
  • Flexibilité d’application : les fibres de carbone peuvent être utilisées sous différentes formes, telles que des barres, des rubans et des treillis, offrant une flexibilité de conception et d’application.
  • Sélectivité de l’intervention : elles peuvent être appliquées dans des zones spécifiques telles que des nœuds individuels poutre-poteau, des voûtes ou des arcs affaiblis nécessitant des interventions de consolidation d’urgence.
  • Invisibilité de l’intervention : les renforts structurels en fibre de carbone ont peu d’impact visuel car ils s’adaptent à toutes les formes.
  • Durabilité : contrairement à l’acier, ils sont résistants à l’oxydation, aux pluies acides et aux environnements salins, et leur durée de vie est pratiquement illimitée.
  • Réversibilité : les interventions avec des treillis en fibre de carbone sont réversibles en peu de temps et avec des ressources minimales.

Inconvénients : 

  • Coûts élevés : le coût des fibres de carbone peut être significatif par rapport à d’autres matériaux de construction, ce qui influence le budget global du projet.
  • Conception spécialisée : la conception et l’application des fibres de carbone nécessitent des compétences spécialisées, ce qui augmente la complexité du processus.
  • Sensibilité aux rayons UV : les fibres de carbone peuvent se dégrader à long terme en raison de l’exposition aux rayons ultraviolets, nécessitant parfois l’utilisation de revêtements protecteurs.
  • Sensibilité aux fissures existantes : si les fibres de carbone sont appliquées sur des surfaces déjà fissurées, elles pourraient ne pas être efficaces pour empêcher leur propagation.
  • Processus d’installation complexe : l’application des fibres de carbone nécessite des procédures spécifiques et une attention aux détails, y compris la préparation du support et l’utilisation de résines époxy, ce qui augmente la complexité de l’installation.

 

 

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