Renforcement structures en béton armé

Les besoins de renforts des planchers en béton sont provoqués par les dégradations de l’enrobage et/ou des armatures (corrosion, incendie), par l’augmentation des charges d’exploitation (changement d’affectation) ou encore pour réparer des erreurs commises lors des phases de conception ou d’exécution (erreurs de calcul, défauts d’enrobage, défauts du béton mis en oeuvre…). On citera également le cas des percements de nouvelles trémies dans des dalles existantes où l’interruption d’éléments porteurs nécessite la mise en place de chevêtres (voir fiche suivante). Si d’autres techniques de renfort existent (béton projeté, résines synthétiques…), la consolidation avec de l’acier des poutres et des dalles en béton armé est très appréciée des professionnels car il offre une flexibilité et une facilité de mise en œuvre tout à fait pratique. Les trois techniques présentées ci-dessus résument quelques interventions possibles.

 

 

Consolidation de poutres en béton armé par adjonction de composants en acier

Le moisage (figure a) d’une poutre en béton armé permet son renfort ou son accrochage dans le cas d’une trémie. La figure b montre le renfort d’une poutre par engraissage et par encaissement de profilés compacts. Enfin la figure c évoque le renfort d’une section de poutre par collage de plaques de tôle au moyen de résine époxy. Cette technique encore appelée "procédé l’Hermite" est également utilisée pour renforcer les tabliers de pont en béton armé. Il faut cependant noter que cette solution ne permet pas d’apporter un degré complémentaire de stabilité au feu, du fait de la tenue au feu des colles. L’adjonction d’une poutrelle en acier dûment connectée (perçage de la dalle au pas des goujons) en sous face d’une dalle ou d’une poutre est également une solution performante de renfort.

 

Consolidation de poutres en béton armé par adjonction des tissus SikaWrap

Les tissus unidirectionnels qui, contrairement aux lamelles préfabriquées, sont flexibles dans leur utilisation. Presque toutes les géométries sont possibles comme p.ex. les frettages de piliers, renforcements de poutres et linteaux qui ne disposent pas d’une forme géométrique rectangulaire. Le collage en grande surface ne sollicite pas les surfaces en béton avec la même force et agit favorablement sur des supports de résistance faible. Le collage et la fabrication du composite se fait directement sur le chantier est très appréciée des professionnels car il offre une flexibilité et une facilité de mise en œuvre tout à fait pratique.

 

UTILISATIONS

 

·         Augmentation de la résistance à la compression et de la ductilité des piliers

·         Amélioration de la résistance à l’effort tranchant en cas de poutres non rectangulaires

·         Renforcements en cas de faible résistance de la surface

·         Augmentation de la résistance ultime en cas de modifications des normes

·         Pas de corrosion / résistance élevée

·         Excellente durabilité et résistance à la fatigue

·         Application flexible, particulièrement en cas de surfaces courbes

·         Plus grande surface de liaison pour la répartition des forces en cas de supports faibles

·         Faible épaisseur, peut être peint / enduit

·         Léger à transporter

·         Facile à installer, pas besoin d’équipements lourds

·         Rapports d’essais et homologations

Renforcement d´un poteau existant en fonte avec un corset en acier

 

 

Les poteaux de fonte ont été utilisés très tôt au 19ème siècle pour suppléer les porteurs traditionnels en bois, trop vulnérables aux agressions de l’humidité en pied. Leur section creuse ou pleine d’un diamètre réduit offrait une grande réduction d’encombrement par rapport à une solution maçonnée mais aussi une vitesse d’exécution sans comparaison. La vente sur catalogue de ces produits manufacturés en grande série par les fonderies fait que l’on retrouve ces poteaux supportant aussi bien des structures de planchers en fer que des structures de plancher en bois.

 

Renforcement d´un poteau existant en fonte avec un corset en acier

 

Les illustrations présentées ci-dessus montrent le principe du corset métallique en deux demi U utilisés pour renforcer la section du poteau. Pour des problèmes de compatibilité métallurgique évidents, la soudure de renforts directs sur les poteaux de fonte est déconseillée, on procède donc par adjonction périphérique de deux U liés avec des barrettes soudées transversalement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 Renforcement des poteaux métalliques existants

 

1. Poteau d’origine en acier ou en fer.

2. Paumelles.

3. Accès à l’intérieur du poteau.

4. Renforts métalliques.

5. Boulon de fixation des renforts.

6. Soudure des renforts.

7. Descente d’eau pluviale

NB : Même si la philosophie demeure la même, le renfort des poteaux rivetés des constructions est particulier à chaque cas de figure.

 

 

 

 

 

 

 

Parfois en fonte, les poteaux métalliques à renforcer peuvent aussi être en tôles de fer poudelé assemblées par des rivets comme pour les constructions du 19ème siècle ou encore, depuis le début du 20ème siècle en profils d’acier laminés ou reconstitués à base de tôles épaisses soudées. Le renforcement d’un poteau métallique peut être nécessaire lorsqu’il y a une corrosion aggravée, mais il s’opère le plus souvent lorsqu’il y a un accroissement notable de la descende de charge ou, par suite de modifications de la structure, un accroissement de l’élancement. On pense par exemple à un poteau initialement maintenu par des lisses dans son plan de flambement le plus faible qui sont déposées suite à la création d’une ouverture.

 

Renforcement et consolidation des poteaux en béton armé

 

La création d’un double niveau par suppression d’une partie des planchers d’une structure en béton armé pose le problème de la résistance des poteaux dont la longueur de flambement est doublée par la disparition de la dalle. Si la réduction des charges sur le poteau par suppression du plancher est un élément favorable, elle ne suffit pas toujours à équilibrer le doublement de l’élancement. Les concepteurs doivent alors renforcer le poteau pour accroître son rayon de giration et satisfaire au nouvel état statique de la construction. Ce nouvel état peut également être dû à l’accroissement important des charges, dû à un simple changement d’exploitation.

 

 

La création d’un double niveau par suppression d’une partie des planchers d’une structure en béton armé pose le problème de la résistance des poteaux dont la longueur de flambement est doublée par la disparition de la dalle. Si la réduction des charges sur le poteau par suppression du plancher est un élément favorable, elle ne suffit pas toujours à équilibrer le doublement de l’élancement. Les concepteurs doivent alors renforcer le poteau pour accroître son rayon de giration et satisfaire au nouvel état statique de la construction. Ce nouvel état peut également être dû à l’accroissement important des charges, dû à un simple changement d’exploitation.

 

Très souvent, la solution de "l’engraissage" du poteau existant par coffrage d’un ferraillage complémentaire n’est pas satisfaisante. D’une part, elle accroît la taille des colonnes en béton armé dont les dimensions sont déjà importantes, d’autre part, elle est fastidieuse à mettre en œuvre. Le renforcement par des profilés ou des plaques en acier est économique et  simple à mettre en œuvre. Les éléments de renfort sont amenés sur place par tronçons manuportables et assemblés à sec par boulonnage, par soudure ou par collage. Il est judicieux, autant que faire se peut,  de ne pas mélanger les modes de fixations sans en étudier les conséquences !

 

Dans le cas où l’on veut réduire la section du poteau au minimum, on peut étayer la structure, déposer le poteau en béton armé et le remplacer par une section compacte de type HEM ou tout simplement par une colonne pleine en acier de forme ronde ou carrée comme exposé dans la fiche suivante.

 

Consolidation de poutre et de dalle par des poteaux métalliques

 

Les poteaux métalliques de sections I et H, de sections tubulaires et parfois de section pleine sont très appréciés en réhabilitation comme éléments de soutènement temporaire ou permanent des structures en pierre ou en béton armé. Facile à mettre en place, ces poteaux sont fabriqués au millimètre, après une prise exacte des cotes sur le site. Grâce au module de résistance élevé de l’acier, ces poteaux peuvent avoir une section réduite et un grand élancement. Ils sont discrets et faciles à loger et contribuent ainsi au gain d’espace et à l’esthétique architecturale des constructions rénovées.

 

Précisions techniques et détails de consolidation avec les poteaux métalliques

 

Les pieds de ces poteaux de soutènement sont le plus souvent articulés afin de ne pas transmettre de moments parasites à la dalle. Il convient dans tous les cas de vérifier la résistance au poinçonnement de la dalle et le cas échéant de répartir l’effort ou de prévoir un massif de fondation. Les têtes des poteaux sont conçues en fonction de la structure à supporter, une platine chevillée de surface suffisante pour une dalle ou un dispositif d’attache pour une poutre en béton. Dans certains cas, lorsque les efforts de compression sont importants, il y a lieu de prévoir des dispositifs d’appuis spéciaux pour transférer la charge et deux articulations matérialisées par un système de grain qui seul garantit le transfert des charges sans transmission de moments préjudiciables.

 

Suppression de poteaux en façade pour élargir la trame porteuse et augmenter la transparence

 

Construit à Neuilly/Seine vers 1960, l’ancien siège social du groupe PSA a fait l’objet d’une rénovation en 2003 par les architectes Valode et Pistre pour le fond de pension Whitehall. Outre l’ajout de 9000 m² de bureaux et la remise aux normes actuelles des 35000 m² existants, l’objectif de la rénovation était de créer des surfaces exemptes de poteaux pour composer de vastes plateaux libres aménageables. Ce remodelage a  nécessité la suppression de 2 400 poteaux métalliques et le déplacement de 1 200 autres pour permettre la création de ces surfaces paysagées.

 

Illustration de ce travail, la restructuration des façades et la suppression de poteaux du bâtiment principal consistaient à déposer quatre poteaux sur cinq, élargir le plancher de 600 mm pour y poser un mur rideau. Chaque poteau de façade conservé (espacé de 7 mètres) a été renforcé par moisage. Les poteaux existants supprimés ont été remplacés par une poutre caisson filante en PRS prenant appui sur des « T ». Ces derniers sont inversés, soudés sur les poteaux existants préservés.  Suivant le principe de « griffes », des profilés sont soudés sous le PRS et permettent de venir reprendre le plancher existant.  L’élargissement sera assuré par la mise en place de profilés en console.

Bandes préfabriquées très résistantes, pour le renforcement et la stabilisation de structures porteuses en béton, bois et maçonnerie. Les bandes sont collées comme éléments de structures porteuses externes à la structure du bâtiment au moyen de la colle Sikadur®-30 à base de résine époxy.

 

Avantages :

- Pas de corrosion, résistance élevée

- Deux types de rigidité différente (lamelles S + M)

- Excellentes durabilité et résistance à la fatigue

- Disponibles en différentes longueurs, pas de raccords nécessaires

- Faible épaisseur peuvent-être peintes/enduites

- Facilement transportables (rouleaux)

- Croisements des bandes simples à exécuter

- Faible poids propre et ainsi simples à installer, aussi en plafond (sans moyens auxiliaires)

- Préparation minimale des lamelles nécessaire

- Très faible dispersion des propriétés mécaniques

- Rapports d’essais et homologations disponibles

 

Utilisations :

- Augmentation de la résistance à la flexion pour moments positifs ou négatifs

- Absorption des tractions transversales

- Remplacement en cas de sectionnements d’armatures

- Adaptation de la structure porteuse aux nouvelles normes

- Colle d’armature pour la liaison entre les lamelles en PRFC et le support.

Techniques de renforcement et de modification des planchers en utilisant l´acier

 

1. Pose d'un plancher collaborant sur des poutres anciennes

La restructuration de bâtiments construits dans les années 1920 révèle souvent des planchers à poutrelles métalliques IPN garnies par des entrevous en briques ou très souvent enrobées dans un béton de qualité médiocre. La reconstruction totale de ces planchers n’est pas aisée car les poutrelles intimement liées au bâti constituent des éléments de stabilité de la construction.

Le changement d’affectation d’un immeuble pose le problème de la charge admissible par le bâti dans son intégralité structurelle (murs mais aussi fondations). Généralement, la maçonnerie et les fondations sont capables d’accommoder les accroissements de charge d’environ 3 kN/m² résultant de l’application de la norme NF P0060001 ou de plus en plus de l’Eurocode 1.

Les poutrelles du plancher ont en revanche beaucoup moins de réserve de résistance et doivent être renforcées. Une méthode efficace, employée comme ici pour la transformation d’un immeuble de logement en bureaux à Boulogne Billancourt consiste à déposer, étage par étage, la dalle et/ou les hourdis. On pose ensuite un plancher collaborant ou compte tenu de l’espacement réduit des solives (entre 600 et 800 mm), un coffrage perdu à petites ondes.On lie ensuite la dalle aux poutrelles par le biais de connecteurs soudés ou cloués pour augmenter leur inertie de base d’environ 2,5 fois.

La pose de connecteurs est soumise à la compatibilité de l’acier qui doit être analysée afin d’évaluer la résistance de la liaison, sa soudabilité ou son aptitude à accepter les clous posés avec un pistolet à charge. Les connecteurs cloués plus faciles à mettre en œuvre sont très appréciés sur les petits chantiers.

2. Pose d'un plancher collaborant sur des poutres en bois

Les structures en bois sont souvent présentes dans les bâtiments sauvegardés au titre du patrimoine. Depuis l’origine, elles assurent les fonctions porteuses aux charges verticales (poteaux, poutres et planchers), mais aussi la cohérence structurelle des constructions (stabilité globale).

Une transformation du bâti motivée soit par le changement de fonction de l’ouvrage (augmentation des charges d’exploitation) ou tout simplement par la vétusté du platelage peut se faire en conservant la structure principale.

L’exemple ci-dessus reprend le cas d’un chantier réalisé sur des entrepôts construits à la fin du 19èmesiècle. Les murs périphériques en maçonnerie mais aussi la structure principale en bois ont été conservés. Le platelage et les solives ont été déposés. Un plancher collaborant a été posé sur les poutres en bois après ragréage. La pose de connecteurs dans la poutre en bois est parfois possible. Comme pour la fiche précédente, elle permet de renforcer la rigidité du couple dalle + poutre.

3. Réfection totale d'un plancher en bois avec remplacement par un plancher collaborant

L’état parfois très dégradé de bâtiments anciens, l’inadaptation des séparatifs horizontaux aux fonctions nouvelles, forcent régulièrement les concepteurs à changer intégralement des planchers. Les poutres de la structure en bois, les solives et le platelage sont alors déposées pour un remplacement par une solution constructive appropriée au nouvel usage. Aux critères de fonctionnalité de tout bâtiment s’ajoute alors celui de la facilité de mise en œuvre de la solution choisie.

 

L’espacement de 6 ou 7 m entre les murs porteurs et la bonne qualité de la maçonnerie d’origine permettent, en étayant de s’affranchir de poutres en utilisant simplement un plancher collaborant avec des dalles d’épaisseur allant de 14 à 30 cm, suivant la portée et les charges à reprendre. Cette solution a l’avantage de pouvoir éviter toute retombées de poutre. On peut, au besoin, pour les quelques portées entre 7 et 9 mètres d’un projet utiliser des poutres noyées dans la dalle ou une poutre en acier intégrée.

  

 4. Remplacement complet du plancher et de la poutraison pour consolider un îlot parisien

La dégradation des planchers d’une construction sur un ou plusieurs étages peut entraîner des perturbations graves sur la stabilité globale du bâti. Les planchers ont une fonction de contreventement dont la disparition peut drastiquement modifier le fonctionnement structurel de l’ouvrage voir s’il est contigu à d’autres immeubles la stabilité entière de l’îlot.

Dans un contexte souvent exigu, la remise en conformité des planchers avec des techniques traditionnelles est longe et difficile. La mise en place de planchers métalliques mixtes avec des poutres de ceinturage et une dalle collaborante faisant office de contreventement est une manière de solutionner ce problème.

Après avoir étayé l’immeuble, on procède à la dépose puis à la réfection des planchers un à un de manière à ne pas déstructurer l’ensemble. L’acheminement des poutres préfabriquées en usine sur le chantier offre une grande aisance tant au niveau de la logistique que de la mise en œuvre.