Comportement des poutres précontraintes renforcées extérieurement à l'aide de PRFC

Abstract

La recherche dont il est question ici s'inscrit dans la problématique du renforcement des ponts, en particulier ceux en béton précontraint. Le renforcement des ponts à l'aide des méthodes conventionnelles telles que l'utilisation des plaques d'acier, collées ou ancrées mécaniquement ou encore la précontrainte extérieure sont des techniques assez répandues. L'utilisation des polymères renforcés de fibres est une alternative très intéressante compte tenu des nombreux avantages dont dispose cette dernière. Le présent projet est divisé en deux grands volets à savoir une étude expérimentale et une étude théorique. Le programme expérimental a consisté à tester un total de huit poutres précontraintes à l'échelle 1/2 de la section canadienne standardisée CPCI 900 mm. Quatre poutres ont été étudiées en flexion dont deux de contrôles et les poutres restantes ont été renforcées avec différentes configurations de renforcement à l'aide des PRFC et quatre autres poutres ont été étudiées en cisaillement dont une poutre de contrôle et les poutres restantes renforcées à l'aide de PRFC. Le programme théorique a consisté à établir les équations de design des poutres renforcées à l'aide des matériaux composites selon les normes de calcul en vigueur pour le renforcement des poutres précontraintes en flexion et en cisaillement adaptée pour tenir compte de l'effet des matériaux composites sur le comportement des sections. De plus, deux logiciels ont été utilisés pour des fins comparatives avec les résultats expérimentaux. Les principaux objectifs de cette étude consistaient à évaluer le potentiel de renforcement des poutres précontraintes de type AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) soumises à la flexion et au cisaillement, par placage externe de lamelles de PRFC et de vérifier la faisabilité de l'utilisation de cette technique afin d'améliorer le comportement des poutres de ponts endommagées et de vérifier les prédictions de l'étude théorique. Les principales conclusions obtenues à partir de cette étude se présentent comme suit : - les calculs théoriques, que ce soit à l'aide des équations de design ou à l'aide des logiciels, prédisent bien les charges de rupture des poutres renforcées. La théorie surestime quelque peu la résistance ; - le renforcement à l'aide des PRFC engendre une augmentation de la résistance en flexion et la rigidité des poutres par rapport à celles non renforcées ; - la perte de deux câbles de précontraintes simulée, lors du programme expérimental, peut être compensée par l'ajout des PRFC; - l'utilisation des ancrages aux extrémités des poutres a permis de retarder ou encore de diminuer le glissement des plaques de PRFC aux extrémités ; l'ajout des bandes en U de PRFC a permis d'améliorer la résistance en cisaillement et d'augmenter la rigidité des poutres; les bandes horizontales servant d'ancrage des bandes en U ont aussi contribué à l'amélioration du comportement des poutres en flexion en augmentant la résistance des poutres et en améliorant la ductilité de ces dernières.

Abstract : This research investigates the strengthening of prestressed concrete bridge girders using advanced composite materials. The strengthening of concrete bridge girders using conventional methods such as steel plates (bonded or mechanically anchored) or external prestressing are rather widespread techniques. The use of fibre reinforced polymers (FRP) is a very attractive alternative. This research project includes two main parts: the experimental work and the theoretical study. The experimental program consists of testing a total of eight half-scale standard CPCI 900 mm deep concrete prestressed bridge girders. The tested beams were divided into two series. Series I was devoted to investigate the flexural behaviour while series II was devoted to investigate the shear behaviour of the prestressed concrete beams strengthened with carbon FRP laminates. Series I includes four beams; two were strengthened using different configurations of longitudinal carbon FRP laminates and two control beams. Series II includes four beams; three were strengthened using different configurations of transverse carbon FRP laminates and one control beam. The theoretical study includes the establishment of the design equations of the strengthened concrete beams using composite materials according to the available design codes for prestressed concrete members in both flexure and shear. Also, two available software were used to analyze the experimental results. The main objective of this study is to evaluate the potential of using externally bonded CFRP laminates as a strengthening technique for prestressed concrete girders type AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) subjected to flexure and shear. In addition, this research aims to check the feasibility of using this technique to improve the behaviour of such bridge girders and to validate the predictions of the design equations and software. The principal conclusions obtained from this study are as follows: (1) Theoretical predictions using the design equations and the software are in good agreement with the experimental results of the strengthened beams. The theory slightly over-estimates the strength of the beams; (2) The strengthening using CFRP laminates results in an increase in the flexural strength and stiffness of the tested beams compared to those of the unstrengthened control ones; (3) The loss of two prestressing cables simulated in the experimental program, can be compensated by the addition of CFRP longitudinal laminates; (4) The use of CFRP U-shaped anchorages at the ends of the beams decreased the end slip of the CFRP longitudinal laminates; (5) The addition of the CFRP U-shaped transverse strips improved the shear capacity and increased the rigidity of the beams; (6) The two horizontal CFRP strips bonded to the top side faces of the beam, as anchorages for the U-shaped strips, also contributed to the improvement of the behaviour of the beams in flexure, by preventing the debonding of the U-shaped strips.