Mémoire de PFE

Projet de Fin d’Etudes Spécialité Génie Civil

Diagnostic de structures existantes Du relevé visuel au confortement des ouvrages en passant par les moyens d’investigations des structures en béton.

Auteur : Valentine RINCKER INSA STRASBOURG, Spécialité Génie Civil, 5ème année Tuteur Entreprise : Jean-Michel ROUQUET / Emmanuelle HARDY Directeur Région Est / Chargée d’affaire Structure-Pathologie Tuteur INSA Strasbourg : Cyrille CHAZALON Professeur de Génie Civil à l’INSA Strasbourg

Juin 2009

Diagnostic de structures existantes

Sommaire Introduction ........................................................................................................................................ - 5 1

Le diagnostic de structures existantes ................................................................................... - 6 1.1

Durabilité d’une structure ..................................................................................................... - 6 -

1.2

Gestion des ouvrages existants .......................................................................................... - 7 -

1.2.1

Domaine public ............................................................................................................ - 7 -

1.2.2

Domaine privé .............................................................................................................. - 7 -

1.3 2

Dégradations affectant le béton armé : comment les reconnaître et les qualifier ? ........ - 10 2.1

Attaque chimique et réaction interne du matériau béton ................................................... - 10 -

2.1.1

Environnement et type de structure concernée ......................................................... - 10 -

2.1.2

Le processus gel/dégel .............................................................................................. - 11 -

2.1.3

Les réactions de gonflement interne ......................................................................... - 12 -

2.1.4

Les attaques chimiques ............................................................................................. - 13 -

2.1.5

Exemple : Analyse des dégradations sur un silo à maïs et à herbe ......................... - 14 -

2.2

Corrosion des aciers d’armature ....................................................................................... - 18 -

2.2.1

Phénomène de corrosion des armatures .................................................................. - 18 -

2.2.2

Désordres dus à la corrosion ..................................................................................... - 19 -

2.2.3

Moyens de caractériser l’état de corrosion de la structure ........................................ - 20 -

2.2.4

Exemple : Diagnostic de corrosion ............................................................................ - 23 -

2.3

Dégradation d’ordre mécanique ........................................................................................ - 26 -

2.3.1

Moyens de détermination de l’origine des fissures ................................................... - 26 -

2.3.2

Exemple de reconnaissance de structure sur un bâtiment ....................................... - 27 -

2.4

3

Les principales étapes d’un diagnostic ................................................................................ - 7 -

Un moyen d’investigation passée à la loupe : l’auscultation ultrasonique ........................ - 39 -

2.4.1

Rédaction du guide d’utilisateur ................................................................................ - 39 -

2.4.2

Principe de fonctionnement de l’appareil .................................................................. - 41 -

2.4.3

Dépouillement et interprétation des résultats pour les mesures en transparence .... - 43 -

2.4.4

Dépouillement pour les mesures en surface ............................................................. - 49 -

2.4.5

Dans quels cas et comment utiliser l’auscultation sonique ? .................................... - 53 -

2.4.6

Conclusion sur l’utilisation de l’auscultation ultrasonique.......................................... - 57 -

Objectifs du diagnostic ........................................................................................................... - 58 3.1

Détermination de la capacité portante d’une structure ...................................................... - 58 -

3.1.1

Mission du CEBTP :................................................................................................... - 58 -

3.1.2

Hypothèses prises pour le calcul : ............................................................................. - 59 -

3.1.3

Calcul de la dalle : ..................................................................................................... - 60 -

3.1.4

Calcul des poutres simples : ...................................................................................... - 61 -

Projet de Fin d’Etudes 2009

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3.1.5 3.2

Conclusion : ............................................................................................................... - 61 -

Réparation de la structure ................................................................................................. - 62 -

3.2.1

Qu’est ce que la mission de Maîtrise d’œuvre ? ....................................................... - 62 -

3.2.2

Mission confiée .......................................................................................................... - 62 -

3.2.3

Descriptions des travaux ........................................................................................... - 63 -

Conclusion ....................................................................................................................................... - 66 Bibliographie .................................................................................................................................... - 67 -


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Remerciements

Effectuer mon Projet de Fin d’Etudes au sein de l’entreprise CEBTP, dans l’agence de Nancy a été une expérience très instructive, c’est pourquoi je tiens à remercier les personnes grâce à qui cela a été possible.

Je remercie tout d’abord mon tuteur d’étude, Monsieur Cyrille Chazallon, professeur à l’INSA de Strasbourg au sein du département Génie Civil, pour son aide.

Mes plus chers remerciements vont à ma tutrice en entreprise, Madame Emmanuelle Hardy, Ingénieur chargé d’affaires du service Structure – Pathologie de l’agence GINGER CEBTP de Nancy. Je la remercie tout d’abord pour sa grande disponibilité, son attention, sa rigueur et ses nombreux conseils. Je la remercie également pour ses qualités humaines, son accueil, ça a été un réel plaisir d’apprendre à ses côtés.

Je remercie Monsieur Jean-Michel Rouquet, directeur de la région Est GINGER CEBTP, pour m’avoir permis d’effectuer ce PFE au sein de l’entreprise GINGER CEBTP.

Je tiens à remercier Madame Martine Pasquignon, Ingénieur chargé d’affaires du service Structure – Pathologie de l’agence GINGER CEBTP de Nancy, pour sa disponibilité, ses conseils et particulièrement pour l’aide qu’elle m’a apportée sur l’étude de l’auscultation ultrasonique.

Merci à Monsieur François Seranne, directeur de l’agence GINGER CEBTP de Nancy pour m’avoir accueilli au sein de son agence.

Je tiens également à remercier chaleureusement l’ensemble de l’équipe avec qui j’ai travaillé durant vingt semaines pour leur soutien et leur bonne humeur.


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Introduction

Le béton armé est un matériau de base de structures largement utilisé depuis plus d’un siècle, aussi bien dans le génie civil que dans le bâtiment. Il peut se dégrader sous l’influence de causes liées à sa qualité originelle ou à des sollicitations d’exploitation ou d’environnement. Des pathologies apparentes ou cachées peuvent survenir. Afin de connaître leur nature, leur étendue et leur potentialité d’évolution, on établit un diagnostic nécessaire pour la prise des décisions relatives à la maintenance de l’ouvrage concerné. Au cours du travail de PFE, j’ai été amenée à réaliser de nombreux diagnostics sur des structures en béton armé. Ce rapport a pour but de présenter le déroulement d’un diagnostic ainsi que les moyens techniques à notre disposition pour caractériser les désordres. Cette étape est capitale pour préconiser des réparations adaptées et durables. L’objet du PFE a également été l’occasion d’analyser une technique d’investigation plus en détails : l’auscultation ultrasonique, dans le cadre de la rédaction d’un guide d’utilisateur. Ce travail est exposé dans ce rapport en suivant les différentes étapes de l’auscultation d’une structure en béton armé du diagnostic au confortement et se divise en 3 parties. Le premier chapitre rappelle les diverses étapes d’un diagnostic et sa finalité. La stratégie de la surveillance et le financement de la réparation des ouvrages construits y sont abordés. L’objectif du second chapitre est de présenter un ensemble non exhaustif de moyens et de techniques pour caractériser l’origine et l’étendue des désordres. Ces techniques sont présentées en fonction des désordres observés sur la structure et leur utilisation est illustrée par un exemple. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à l’étude détaillée d’un appareil permettant de caractériser la qualité du béton : l’ausculteur ultrasonique développé par le CEBTP. Cette partie expose le principe de fonctionnement de l’appareil, l’interprétation des résultats, les limites de cette technique et dans quels cas il est pertinent de l’utiliser. Le troisième et dernier chapitre est consacré à l’étude de la finalité d’un diagnostic, à savoir d’une part la détermination de la capacité portante de la structure et d’autre part la détermination des travaux de réparation / renforcement si les dégâts affectant la structure le nécessite. Ces deux missions sont illustrées premièrement par un exemple de calculs de structure et deuxièmement par un exemple de confortement de deux châteaux d’eau étudié dans le cadre d’une mission de maîtrise d’œuvre.


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1 Le diagnostic de structures existantes L’activité de diagnostic désigne toute démarche relative à la caractérisation de l’état d’une structure et de ses matériaux constitutifs. L’ingénieur effectuant l’examen d’une structure existante est confronté à trois tâches principales : -

-

La détermination de l’origine des pathologies et des dégâts La vérification de la sécurité de la structure : il s’agit de déterminer dans un premier temps l’état réel de celle-ci. Les actions sur les structures (qui peuvent être amenées à changer), ainsi que les résistances des matériaux doivent être actualisées. L’évaluation de la durabilité : il faut émettre un pronostic sur l’évolution de l’état de la structure et sur l’efficacité des interventions éventuelles.

Le défi posé à l’ingénierie en structures existantes, est de vérifier que la sécurité structurelle soit suffisante et de répondre à des exigences nouvelles sans devoir faire appel à des interventions coûteuses (réparations, renforcements). Contrairement à la nouvelle construction, il faut – dans le domaine de la maintenance – limiter ou même éviter les interventions de construction.

1.1 Durabilité d’une structure La notion de durabilité est le temps durant lequel l’ouvrage rempli ses fonctions, ses exigences. Tous les ouvrages sont soumis à un processus de détérioration comprenant 2 phases : une phase d’initiation et une phase de propagation comme représenté sur la figure Désordres Atteinte d’un état limite

DURABILITE

Initiation

Propagation Temps

Figure 1.1.1: Processus de détérioration d’un ouvrage

•

•

Phase d’initiation : aucun désordre n’est visible, l’élément perd d’abord sa protection, il est ensuite exposé à des agents comme de l’eau avec/sans substances chimiques qui pénètrent dans l’élément. Ces matières en atteignant une certaine concentration rendent l’élément vulnérable et le processus d’endommagement réel débute. Phase de propagation : L’élément est soumis à un processus d’endommagement (exemple : corrosion des armatures) qui conduit à une capacité portante diminuée ou à une stabilité diminuée. Cette phase prend fin quand un état limite de sécurité structurale ou d’aptitude au service est atteint.

Les mesures à prendre pour réparer ou maintenir en fonctionnement une structure dépendent de la position à laquelle se situe la structure sur le diagramme endommagement-temps ci-dessus. Il est donc important d’évaluer l’état de la structure et l’idéal serait d’effectuer une surveillance suivie de celui-ci dès sa construction.


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1.2 Gestion des ouvrages existants Régulièrement, les financements pour l’entretien des ouvrages font l’objet de restrictions budgétaires. La question persiste « Entretenir les ouvrages, oui, mais à quel prix ? ». C’est le grand défi auquel la collectivité est confrontée, et en particulier les ingénieurs.

1.2.1 Domaine public Les ponts ainsi que les ouvrages exceptionnels font partie du patrimoine construit public et sont gérés par l’Etat. Ils sont soumis au texte de loi Instruction technique de surveillance et entretien des ouvrages d’art (ITSEOA d’octobre 1979) qui a été mis à jour en décembre 1995 et intitulé méthode IQOA : surveillance organisée et entretien courant formalisé. Selon ces textes de loi, les ouvrages doivent être inspectés tous les 3 ans, ce qui permet d’intervenir déjà dans la phase d’initiation en stoppant ou freinant la pénétration des agents agressifs.

1.2.2 Domaine privé Malheureusement les ouvrages privés ne sont pas soumis à cette loi et il n’y a généralement pas de surveillance de l’état de la structure. Actuellement, la gestion est du type "curatif". L’intervention a généralement lieu à partir du moment où les désordres deviennent nettement visibles et que les morceaux de béton qui se détachent mettent en jeu la sécurité des usagers et des tiers. Les réparations à effectuer sont donc lourdes et coûteuses (élimination du béton pollué et reconstitution de l'enrobage des armatures par exemple). Le manque de moyens financiers alloués à l’entretien des ouvrages a pour conséquence de repousser l’auscultation et la réparation des ouvrages toujours plus tard. Or lorsque le moment opportun est passé, l’entretien coûte souvent plus cher. L’intervention du CEBTP est généralement sollicitée lorsque les désordres sur la structure sont visibles et alarment le gestionnaire, c’est pourquoi il faut entreprendre un diagnostic et une simple surveillance ou visite ne permet pas de déterminer l’état réel de l’ensemble de la structure. La présentation de l’activité de l’entreprise CEBTP est donnée en Annexe 1.

1.3 Les principales étapes d’un diagnostic Le diagnostic d’une structure se compose de différentes étapes clés décrites ci-dessous. Une visite préliminaire Elle a pour objet d’améliorer la compréhension de l’état et du fonctionnement de la structure, de préciser les conditions environnementales, les désordres visibles, l’accessibilité des parties dégradées. Suite à cette visite, l’ingénieur chargé d’affaire peut déjà se faire une idée de l’origine des dégradations observées et peut ainsi proposer un programme d’investigations à réaliser, son coût ainsi que sa durée. La détermination des surfaces inspectées plus en détails et les techniques d’auscultation utilisées tiendront compte de l’accès, de l’environnement ainsi que des contraintes d’exploitation de la structure. Collecte des documents Un maximum d’informations concernant la structure doivent être récoltés, à savoir : -

Date de construction afin de connaître le code selon lequel la structure a été calculée et les dispositions constructives de l’époque. L’historique de la structure


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-

Les plans de coffrage et de ferraillage Les rapports d’éventuelles études antérieures L’orientation de la structure Préparation de l’intervention

A partir de la visite sur site et de l’étude des documents collectés on peut déterminer précisément le nombre et le type de mesures à réaliser pour répondre au mieux à la demande du client. Avant l’intervention il faut déjà avoir déterminé quelles informations sont importantes pour réaliser la mission, quelles sont à priori les dégradations que l’on veut mettre en évidence. « Il faut toujours savoir ce que l’on cherche, afin d’éviter de chercher à savoir ce que l’on a trouvé… » Inspection détaillée Une inspection visuelle de la totalité de la structure est mise en œuvre afin de détecter tous les signes de détérioration et d’identifier toutes les sources potentielles de désordres tels que : -

- la présence d’anciens revêtements ou de produits d’imprégnation, - l’apparence de la surface du béton, présence de stalactites, d’efflorescences, de traces de rouille, - la présence de fissures (avec leurs ouvertures et leurs orientations, réseau), - les détériorations de la peau du béton (épaufrures, feuilletage, éclatements…), - la détection des zones sonnant le creux, - les zones où le béton et les armatures ont été désorganisés (cas d’un incendie…), - la présence d’armatures (passives ou actives) apparentes, corrodées ou non, - le relevé des déformations de la structure, - la détection des traces d’humidité, - etc.

Généralement il faut aussi relever la géométrie de la structure, espacement des éléments porteur, épaisseur de dalle, géométrie d’un plancher hourdis par exemple. Dans de nombreux cas les structures diagnostiquées sont anciennes, de ce fait on ne dispose plus des plans. Suite à l’inspection visuelle on choisit des zones représentatives des désordres observés sur lesquelles on va effectuer des mesures. Celles-ci peuvent être de type non destructif par exemple la détection de l’enrobage des armatures par un procédé électromagnétique. Elles peuvent également consister en des prélèvements de carottes et d’échantillons en vu d’analyses en laboratoire. Les investigations destructives seront limitées au maximum pour ne pas endommager la structure. Essais en laboratoire Si des échantillons ont été prélevés dans les zones représentatives des états de dégradation, ceux-ci sont envoyés en laboratoire pour analyse chimique ou microstructurale afin de qualifier le béton. Lorsque des carottes ont été prélevées sur la structure elles sont écrasées afin de connaître la résistance à la compression du béton. Traitement des résultats L’ensemble des résultats d’analyse et des relevés des défauts sont récapitulés dans des tableaux ou sur des plans dans le rapport de diagnostic. Si l’inspection de la structure était complète, il faudrait pour chaque type de désordres effectuer un linéaire en vue d’une éventuelle réparation.


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Commentaires et avis de réparation A partir de tous les éléments dont il dispose, l’ingénieur chargé d’affaires doit indiquer dans son rapport : -

L’origine probable des désordres, leur étendue, et leur probable évolution Si la structure garantit toujours la sécurité des personnes et des biens qu’elle abrite (bâtiments) ou qu’elle ne menace pas de s’écrouler. Les zones à traiter en priorité Des conseils sur l’exploitation de l’ouvrage, maintien, renforcement ou suivi, conseil sur des éventuels compléments d’étude Des recommandations relatives aux éventuelles méthodes de réparation les mieux adaptées

Il est à rappeler que le rapport de diagnostic doit être compréhensible pour un non initié.


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2 Dégradations affectant le béton armé : comment les reconnaître et les qualifier ? Au cours du diagnostic la qualification des désordres est une étape capitale pour déterminer leur origine et ainsi préconiser les réparations les plus adaptées. Cette partie répertorie les principaux types de dégradations du béton armé qui peuvent être classés suivant 3 catégories : -

Attaque chimique et réaction interne du matériau béton Corrosion des armatures Dégradation d’ordre mécanique

Après un rappel théorique concernant les désordres observés, nous allons étudier pour chaque catégorie : -

Les milieux (classes d’expositions) les conditions et le type de structure ou d’exploitation qui favorisent l’apparition de ces défauts Les désordres typiquement observés sur les structures atteintes de ces dégradations. Les moyens techniques d’auscultation spécifique à l’identification, à l’évaluation de l’étendue et de la gravité de chaque défaut.

Chaque catégorie sera illustrée d’un exemple d’un diagnostic auquel j’ai participé au cours de mon Projet de Fin d’Etude effectué au CEBTP. Un moyen d’investigation, l’auscultation ultrasonique sera étudiée plus en détails.

2.1 Attaque chimique et réaction interne du matériau béton Cette catégorie regroupe les causes suivantes de dégradations du béton armé : -

Processus gel/dégel et gel du béton frais Réactions de gonflement interne : réaction alcali-granulats – réaction sulfatique interne Attaques chimiques telles que par exemple attaques sulfatiques, attaques acides

2.1.1 Environnement et type de structure concernée Les classes environnementales définies par la norme EN 206 -1 concernant ces types d’attaques sont les classes : -

XF pour l’attaque gel / dégel avec ou sans sels de déverglaçage XA pour les attaques chimiques.

Les structures concernées par une attaque gel/ dégel sont celles saturées en eau de manière modérée à élevée et situées en zone de gel. On peut citer comme exemple un ouvrage horizontal n’ayant pas de pente d’écoulement des eaux. Les ponts sont souvent soumis à ce type d’attaque. La réaction alcali-granulats peut en principe apparaître dans tous les éléments en béton, mais surtout dans les éléments exposés à l’eau, mur de soutènement et éléments de ponts, de même que les barrages.


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Les attaques chimiques dépendent quant à elles uniquement de l’environnement direct de la structure. Elles ont essentiellement lieu sur des structures industrielles abritant des activités chimiques ou métallurgiques, les stations d’épuration, structures agricoles et les abords de routes.

2.1.2 Le processus gel/dégel Il faut distinguer 2 types de dégâts liés au gel : le processus gel/dégel intervenant au cours du vieillissement de la structure et le gel du béton au moment du coulage par faible température. L’effet d’éclatement provoqué par l’eau entrain de geler est la cause principale des dégâts du béton dus au gel quand le degré de saturation dépasse 90%. Ce phénomène se produit lorsque le béton en surface, se gorge d’eau et gèle de façon répétée. Les pores capillaires absorbent l’eau de la surface du béton. Si l’eau gèle, l’accroissement de volume vaut 9% du volume d’eau. Dans le cas d’une formation de glace dans un pore complètement rempli, l’accroissement de volume va générer une pression hydraulique qui va créer un éclatement du béton en surface. Influence combinée du gel est des sels de déverglaçage (ouvrages concernés : piles de ponts, talus) -

La réaction du sel avec la glace est une réaction endothermique et créé un refroidissement plus rapide de la structure Les sels de déverglaçage provoquent une absorption plus rapide de l’eau Le point de congélation de l’eau dépend directement de la teneur en sel

Le schéma…. Illustre le phénomène découlant de ces 3 caractéristiques : Surface du béton 1 cm Concentration de chlorure la plus importante

La T° de congélation baisse à cette profondeur

Béton gelé Zone où la température du béton est plus élevée que la température de congélation Béton gelant plus tard Figure 2.1.1:Schématisation de l’influence combinée du gel et des sels de déverglaçage

Si le refroidissement se poursuit, la couche intermédiaire va également gelé mais la pression de congélation qui en résulte ne pourra pas s’affaiblir dans les couches voisines déjà gelées et cela peut conduire à l’éclatement de la couche superficielle. Les dégâts visibles dus au gel : Un faïençage superficiel Moyens d’auscultation pour déterminer si le béton est gelé : Seule une analyse visuelle peut permettre de déterminer si un béton a été gelé. La matrice du béton est plus claire et on observe également une mauvaise interface granulat/matrice au MEB (Microscope à Balayage Electronique) et le béton est assez poreux. On peut en revanche déterminer la profondeur de béton gelé en effectuant un carottage ou si l’on ne souhaite pas effectuer de sondage destructif ou les limiter, déterminer la profondeur et la surface sur


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laquelle s’étend le béton gelé par l’auscultation ultrasonique. Cette technique sera développée au paragraphe 2.4. On conclue généralement à l’attaque du gel par déduction lorsque les autres causes de dégradations ont été éliminées. Remarque : dans le temps le phénomène de gel/dégel était considéré comme le phénomène majeur de dégradation des structures, aujourd’hui c’est la corrosion des aciers.

2.1.3 Les réactions de gonflement interne 2.1.3.1 La réaction alcali-granulat La réaction alcali-granulats est une réaction chimique à évolution lente entre certains granulats dits « réactifs » et les alcalins normalement présents dans la solution interstitielle du béton ou amenés par des agents extérieurs. Cette réaction conduit à la formation d’un gel de silicate suivie d’un gonflement du béton qui provoque une fissuration importante et une perte de résistance considérable. Afin qu’une réaction alcali-granulats ait lieu, les 3 conditions suivantes doivent être réunies mais ne donnent pas forcément lieu à la réaction : -

Présence de granulats réactifs (silice mal cristallisée) Milieu ambiant humide Teneur suffisante en alcalins dans le béton (calcium, sodium)

2.1.3.2 La réaction sulfatique interne La réaction sulfatique interne résulte d’une remobilisation des sulfates initialement contenus dans la matrice cimentaire qui, normalement, se transforment en ettringite primaire lors de la prise du béton. Si cette réaction ne peut avoir lieu, l’ettringite secondaire (également dite différée) expansive peut se former ultérieurement dans le béton durci et provoque son gonflement et sa désorganisation. Cette remobilisation des sulfates nécessite une élévation de température notable et durable du béton pendant sa prise (par exemple, > 75°C pendant plus de 4 heures), la réaction se produit donc essentiellement dans des bétons étuvés ou des pièces massives (piles de pont de section importante par exemple). La réaction réclame de l’eau et plus spécialement un environnement chaud et humide. 2.1.3.3 Les dégâts visibles dus aux réactions de gonflement interne Les dégâts visibles causés par ces 2 réactions sont similaires, du fait du gonflement qu’elles provoquent, le béton se fissure et l’on peut observer un faïençage à mailles plus ou moins larges ainsi que des « pop-outs » (éclatements localisés de la matrice cimentaire au droit du granulat). Pour la réaction alcali-granulat, les fissures peuvent contenir du gel de silice, comme illustré sur la figure 2.1.2.

Figure 2.1.2: Dégâts dus à la RAG sur le couronnement d'un barrage


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2.1.3.4 Diagnostic d’un ouvrage affecté par un gonflement interne Des carottes doivent être prélevées à des endroits représentatifs en vue d’analyses en laboratoire. Ces analyses sont seules susceptibles de déterminer l'origine du gonflement. Le microscope électronique à balayage (MEB) est actuellement la seule technique permettant de caractériser, avec certitude, l'origine du gonflement : alcali-réaction ou/et réaction sulfatique (ettringite différée). L’existence d’un phénomène d’alcalis-réaction est matérialisé par la présence de gels caractéristiques. L’analyse au microscope à balayage électronique Grâce à sa profondeur de champ, le microscope électronique à balayage (M.E.B.) est particulièrement adapté à l’examen des surfaces et fournit une vision tridimensionnelle de l’échantillon sur une très large gamme de grandissements. Le MEB est couplé avec unspectromètre à sélection d’énergie (EDS) qui, permettant de détecter les photons X émis, fournit une analyse élémentaire quasi ponctuelle du matériau ou une cartographie montrant la répartition des éléments chimiques dans la zone observée au microscope.

2.1.4 Les attaques chimiques Les principaux agents externes d’agressions chimiques sont les suivants : -

Les eaux pures et milieux acides

Lorsqu’ils entrent en contact avec le béton, ils dissolvent la chaux produite par l’hydratation du ciment, faisant alors progressivement diminuer le pH et ils annihilent ainsi la passivation des aciers mais aussi la résistance du béton. Plus le pH est faible, plus l’attaque est importante. On emploi le terme de lixiviation du béton. La présence de dépôts de calcite blanchâtre à la surface du béton est le signe d’une telle attaque. Les attaques du béton peuvent être dues à des acides forts mais également à des acides acétiques, lactiques, butyriques ou formique en provenance de sucreries, laiteries, papeteries, tanneries… L’exemple traité dans le paragraphe suivant concerne une attaque acide. -

Les eaux basiques

-

Les solutions salines ou les sols

Entrent dans cette catégorie les sulfates, chlorures, nitrates, sulfures et le magnésium. Ils dissolvent partiellement les éléments calciques des ciments. Les chlorures sont à l’origine de la corrosion des armatures que nous verrons dans le paragraphe 2.2. Les sulfates provoquent la formation de cristaux d’ettringite et ainsi un phénomène d’expansion. -

L’eau de mer

-

Les actions biochimiques


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2.1.5 Exemple : Analyse des dégradations sur un silo à maïs et à herbe 2.1.5.1 Description de l’affaire Dans le cadre d’une expertise, le CEBTP a effectué des essais et analyses sur le béton de silos à maïs et à herbe afin de : -

vérifier si le béton mis en place correspond au béton indiqué sur les bons de livraison vérifier si le béton mis en place est adapté à son environnement déterminer l’origine probable des désordres

Les silos sont horizontaux ; 3 voiles en béton armé d’une épaisseur de 20 cm, d’une longueur d’environ 15 m et d’une hauteur d’environ 3 m forment 2 caissons dans lesquels sont entreposés du maïs et de l’herbe.

2.1.3 : Photographie des silos auscultés

Les désordres qui ont été visualisés sont les suivants : -

Granulats apparents avec lixiviation du liant (figure 2.1.4) Le liant est pulvérulent et se désagrège facilement en surface (figure 2.1.5) On observe des fissures sur granulats

Figure 2.1.4 : Granulats apparents, désagrégation du liant

Figure 2.1.5 : Lixiviation du liant

Afin de déterminer l’origine de ces désordres, 3 carottes ont été prélevées dans les zones significatives sur lesquelles des analyses ont été réalisées. 2.1.5.2 Analyses effectuées Les analyses suivantes ont été effectuées : -

Ecrasements en laboratoire pour estimation de la résistance à la compression Dosage en ciment Taux d’hydratation afin d’évaluer le rapport E/C


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Ces tests permettent de vérifier si le béton en place est conforme à celui indiqué sur les bons de livraison du béton. - Un MEB (microscope à balayage électronique) Afin d’avoir une idée plus précise sur l’origine des désordres. - Test de neutralisation de l’alcalinité du béton à l’aide de la phénolphtaléine Afin de déterminer si le pH a chuté 2.1.5.3 Caractérisation du béton Les analyses réalisées sur le béton prélevé par carottage sur le silo ont mis en évidence que : - le type de ciment, - le rapport E/C, - le dosage en ciment correspondent bien aux données indiquées sur les bons de livraison et requises pour un béton de classe environnementale 5b (milieux moyennement agressifs chimiquement selon la définition de la norme de l’époque P 18-305 – Bétons prêts à l’emploi) Seules les valeurs de résistance à la compression (réalisées sur du béton localisé au cœur du voile) ont montré une qualité mécanique inférieure à celle annoncée (moyenne de 29.9 MPa au lieu de 35 MPa). Il est à noter que les valeurs brutes de résistance à la compression du béton obtenues par l’écrasement des carottes doivent être affectées de coefficient de forme en fonction du diamètre et de l’élancement de la carotte (1 ou 2) afin de pouvoir être comparées aux valeurs nominales de résistance à la compression. 2.1.5.4 Type de béton adapté à son environnement ? La norme XP P 18-305 – Bétons prêts à l’emploi -, en vigueur lors de la réalisation de l’ouvrage, fixe des résistances garanties et des dosages minimum en ciment ou liant équivalent en fonction des classes d’environnement et du type de béton (béton armé BA / Béton non armé NA). Les recommandations pour les ouvrages agricoles soumis aux conditions les plus sévères sont résumées dans le tableau 2.1.1 : Ouvrages

Classes d’environnement

Types de béton

Dosage mini en liant équivalent 350 ou 385

Nature du ciment

NA/BA NA/BA

Résistance caractéristique mini. 35 MPa 40 MPa

Fosses à lisier et à fumier Aires d’ensilage

5b* ou 5c* 5b*

BA

35 MPa

350

PM/ES

ES ES

Tableau 2.1.1 : Exigences pour le béton selon la norme XP P 18-305 * 5 a, b, c : milieux faiblement, moyennement et fortement agressifs chimiquement selon la norme XP18-305. NA : non armé ; BA : béton armé

Dans les cas d’aires d’ensilage, on se situe bien dans une classe d’environnement 5b. Mais l’étude des normes fait apparaître que les textes règlementaires et normatifs en vigueur ne sont pas accordés sur la nature des prescriptions des formulations des bétons soumis à des environnements agricoles.


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Toujours selon la norme P18-305 : -

les lisiers sont considérés comme des environnements également ou plus agressifs que les jus d’ensilage. Pourtant, le pH des jus d’ensilage est généralement inférieur à celui des lisiers compris entre 6 et 8.

Selon la norme NF P 18-011 (datant de 1992) – Bétons Classification des environnements agressifs -, qui définit les environnements agressifs pour les bétons en fonction de leur concentration en agents agressifs ou de leur pH : -

les jus d’ensilage peuvent correspondre à différentes classes d’agressivité, correspondantes à des caractéristiques différentes du béton selon la valeur de leur pH (variant entre 3,5 et 5) :

Classe d’agressivité

A2 – moyennement agressif

A3 – Fortement agressif

A4 – très fortement agressif

Agent agressif

4.5
4
pH<4

Choix du ciment

CEM I à teneur réduite en C3S et C3A, CEM II avec éléments secondaires, CEM III/A, B, C, CEM V

CEM III/B, C, Ciments alumineux, CEM V

Idem A3 avec éventuellement une protection supplémentaire (enduit, peinture, revêtement)

E/C

≤0.55

≤0.5

≤ 0,50 éventuellement

Dosage en ciment 3 (kg/m )

550/(D)

1/5

700/(D)

1/5

700/(D)

1/5

éventuellement

(pour Dmax sur les 3 carottes prélevées=21mm, C=380kg/m3)

Tableau 2.1.2 : exigences pour le béton selon la norme NF P 18-011

Selon les classes d’agressivité définies dans le tableau 2.1.2, la teneur en ciment du béton pourrait être légèrement insuffisante suivant le pH des jus d’ensilage. Remarque : il aurait été intéressant de mesurer le pH des jus d’ensilage présent dans les silos lorsque les carottes ont été prélevées.

D’après nos résultats, l’expert doit conclure à la responsabilité ou non de l’entreprise de construction pour une mauvaise mise en œuvre ayant entraîné les désordres observés. Au vu des analyses réalisées les caractéristiques du béton prélevé correspondent bien : -

aux caractéristiques annoncées dans les bons de livraison à l’exception de la résistance mécanique

-

à son environnement selon la norme XP P 18-305

Il est important de souligner que les résultats des investigations sont toujours à nuancer d’après les incertitudes sur les résultats et les hypothèses prises. Par exemple, les résultats obtenus pour les ratios des oxydes traceurs par analyse chimique sont à nuancer dans la mesure où l’analyse chimique ne permet pas de distinguer les quantités de Fe2O3 issus du ciment et ceux extraits des granulats.


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2.1.5.5 Détermination de l’origine probable des désordres Afin de pouvoir déterminer l’origine probable des désordres, il est nécessaire de connaître les propriétés des produits stockés dans les silos. Propriétés des jus d’ensilage Au cours de l’ensilage, les sucres solubles du fourrage vert sont transformés en acide lactique principalement, et en acide acétique, en l’absence d’air et sous l’action de bactéries fermentaires. Les réactions de transformation s’accompagnent d’une acidification, se manifestant par la chute du pH du milieu en dessous de 4. Celle-ci limite les fermentations indésirables (comme le développement de la flore butyrique) et assure la conservation de l’ensilage. Les jus d’ensilage contiennent principalement des acides lactique et acétique et ont un pH d’une valeur moyenne d’environ 4. Aux vues des propriétés de ces jus et de la documentation collectée sur internet au sujet du vieillissement des ouvrages agricoles en béton armé, il est fort possible que les dégradations aient pour origine une attaque des acides contenus dans les jus d’ensilages. Les constatations sur des ouvrages similaires font état d’une matrice cimentaire progressivement dissoute dénudant les granulats, ce qui concorde avec nos observations. Conclusion Les investigations menées nous amène à la conclusion que le béton a subi deux types d’attaques : -

une attaque acide engendrant une lixiviation du liant.

L’acide est très probablement organique (jus d’ensilage). Ces acides peuvent présenter des valeurs de pH entre 3.5 et 5 qui conduisent à une augmentation de la porosité et une déstructuration surfacique du béton (profondeur de 1 cm à ce jour) mais ne laissent pas de traces chimiques. Ceci entraîne une modification des performances mécaniques du béton par rapport à ses caractéristiques d’origine. -

une carbonatation, réaction naturelle résultant de l’action du CO2 sur les phases hydratées du ciment.

Cette réaction entraîne une altération du béton : béton moins compact et plus déstructuré qu’à cœur observé à ce jour sur une profondeur de 3 à 5 cm). Ce phénomène n’altère toutefois pas le béton de manière significative et ne remet pas en cause l’intégrité de l’ouvrage.

A terme, si aucune mesure n’est prise la dégradation du béton va continuer sous l’attaque acide. Les agents extérieurs vont pouvoir atteindre les armatures qui ne seront plus protégées et le processus de corrosion risque de débuter. Ce type de dégradation est étudié dans le paragraphe suivant.


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2.2 Corrosion des es aciers d’armature Le phénomène de corrosion des armatures est probablement le phénomène de détérioration du béton armé le plus répandu. Pour que ce phénomène se développe il suffit que les éléments de structure soit exposés à l’humidité. La corrosion opère d’autant plus vite que l’enrobage de béton est faible et que la structure est exposée aux chlorures. Elle peut donc onc se développer dans n’importe quelle structure. L’expérience ’expérience a montré que les parties d’ouvrages suivantess sont très touchées touché par ce phénomène : -

-

Danss les bâtiments, les balcons et acrotères sont souvent les plus touchés du fait, soit de leur minceur, soitit de la difficulté à maintenir un enrobage suffisant et lié au fait qu’ils soient plus exposés aux intempéries et à l’humidité Dans les parkings et bâtiments industriels, ce sont souvent les poteaux et les dalles les plus touchés (agents gents chimiques ou sels de déverglaçage) Pour les ponts et ouvrages d’art, les piles au voisinage des chaussées, les tabliers et les équipements de tablier car ces éléments sont en contact avec les sels de déverglaçage. Les cheminées (industrielles) soumises à un environnement acide acide particulièrement Les structures situées en bord de mer qui souffrent de l’agression des chlorures

2.2.1 Phénomène de corrosion des armatures La durabilité des armatures du béton armé est assurée par leur enrobage de béton sain, c'est-à-dire c'est contenant encore une réserve en ciment susceptible de libérer la chaux nécessaire au maintien du milieu basique (pH ≈ 12 à 13). Dès que cette condition n’est plus remplie, l’acier peut se corroder en formant une rouille gonflante (expansion pouvant atteindre 800 %) qui estt capable de

Pour que la corrosion des aciers d’armatures puisse avoir lieu, les trois trois conditions schématisées sur la figure 2.2.1 doivent être réunies :

Dépassivation de l'acier

Oxygène

CORROSION

Elecrolyte (humidité)

Figure 2.2.1 : Facteurs de corrosion

Remarque : les structures en permanence dans l’eau ou enterrées ne sont pas atteintes par la corrosion du fait qu’il n’y ait pas d’oxygène. La dépassivation de l’acier d’armature peut être due du à 2 causes : - La pénétration dans le béton de suffisamment d’ions chlorures Cl¯ Cl jusqu’à à l’armature - Lorsque le front de carbonatation du béton a atteint l’armature Si l’un de ces 2 phénomènes se produit, le pH du béton chute et l’acier n’est plus protégé. Une fois que l’acier d’armature est dépassivé et est en contact simultané avec de l’oxygène et de l’eau (humidité), la dissolution du métal a lieu ; corrosion sous la forme de formation de rouille, puis perte de section.


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Corrosion en présence de chlorures Les chlorures proviennent essentiellement de l’eau de mer, de l’environnement marin ou de l’épandage des sels de déverglaçage sur les routes en hiver (ponts et tunnels). La surface du béton de la structure est alors en contact avec des ions chlorures (Cl¯) dissous dans l’eau ou présents dans l’air. Ils pénètrent dans le béton d’enrobage par divers mécanismes de transport et principalement par succion capillaire lors de précipitations. Au fur et à mesure de leur progression, un certain nombre de ces ions sont liés chimiquement par les composants de la pâte de ciment durcie. Seuls les chlorures libres présentent un danger pour la corrosion des barres d’armatures. De plus les chlorures catalysent la réaction. Lorsqu’un certain taux d’ions chlorures est atteint, appelé taux critique, la couche passivée devient instable. Une valeur de 0,4 % par rapport au poids du ciment a été établie comme une limite de dépassivation de l’acier. Cette valeur, largement utilisée dans la pratique, est considérée comme très conservatrice et dans de très nombreux cas, aucune corrosion n’a fait son apparition pour une telle teneur en chlorure. Remarque : la valeur de 0,4 % est valable pour un béton contenant des armatures en acier ou de s pièces métalliques noyées selon la norme EN 206-1 : Elle varie en fonction du type de ciments et de la présence d’armatures. Carbonatation La carbonatation peut se représenter par la réaction chimique suivante :

La chaux présente dans le béton réagit avec le dioxyde de carbone et forme de la calcite. La vitesse de carbonatation dépend de l’apport de CO2. Le dioxyde de carbone ne peut pénétrer dans le béton qu’en phase gazeuse. La réaction chimique du CO2 avec les alcalins, en particulier avec la chaux, requiert la présence d’eau. La carbonatation ne peut survenir que si l’humidité relative de l’air est comprise entre 40 % et 95 % environ. Cette réaction entraîne une chute du pH qui est de l’ordre de 12,5 pour un béton sain et passe à 8,5 pour un béton carbonaté.

2.2.2 Désordres dus à la corrosion La corrosion des armatures a souvent pour conséquences des symptômes visibles sur le parement, tels que fissurations au droit des armatures, décollements de béton, éclats et épaufrures. Mais attention, d’autres mécanismes peuvent être à l’origine de ces dégradations. Les fissures créées par le gonflement de la barre consécutif à la formation de la rouille sont à différencier des fissures de retrait et des fissures de flexion ou d’effort tranchant.


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Elless sont en général de 3 types comme illustré sur la figure 2.2.2 : -

Une fissure au droit de la barre d’armature

-

Deux fissures de part et d’autre d’une barre symbolisant le détachement d’une bande à section trapézoïdale

-

La délamination d’un pan de mur constitué du béton d’enrobage Figure 2.2.2 : Type de fissures provoquées par la corrosion de l'armature

Lorsque le stade de corrosion est avancé, les armatures corrodées sont souvent apparentes et des traces de rouille sont visibles. La forme, l’étendue des désordres, leur intensité dépendant à la fois de la position des armatures (enrobage et espacement), de la qualité du béton d’enrobage (compacité et homogénéité), et de l’environnement (nature de l’agent agressif). Ainsi, lorsqu’une corrosion se manifeste, il est raisonnable de s’attendre à ce que le processus de dégradation s’étende au-delà delà de la dégradation visible. C’est pourquoi des moyens d’investigations capables de nous donner des informations sur l’état des armatures dans les zones où celles-ci celles sont recouvertes de béton sont utilisés. Ceux-ci Ceux sont présentés dans le paragraphe 2.2.3.

2.2.3 Moyens de caractériser l’état de corrosion de la structure 2.2.3.1 Mesure de l’enrobage des armatures L’objectif de ces mesures est de localiser géographiquement géographiquement les armatures faiblement enrobées, d’estimer les surfaces concernées et enfin d’apporter des éléments quantitatifs pour une modélisation de l’évolution possible des phénomènes, en relation avec la profondeur profondeur de carbonatation (paragraphe 2.2.4.3). Pour mesurer l’enrobage on utilise un appareil utilisant le principe physique de détection électromagnétique. La barre d’armature métallique perturbe le champ magnétique produit par un électro-aimant.

Figure 2.2.3 : Illustration des paramètres lors d’un sondage pachométrique

Les relations entre les grandeurs mesurées et les paramètres de l’armature et la profondeur d’enrobage, illustrés sur la figure 2.2.3, 2.2 sont les suivantes : la réponse se V de la sonde est V0 en l’absence d’armatures. En un point distant de x d’une armature le signal augmente de :


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∆

Φ

Avec √ et K une constante caractéristique de la sonde, le diamètre de la barre d’armature et µ sa permittivité électrique. L’appareil utilisé au CEBTP est le Ferroscan PS 200 développé par HILTI. Il s’agit d’un système multisonde placé sur rouleaux pour relever automatiquement la position des armatures sur une surface. Pour mesurer l’enrobage des armatures, l’appareil Ferroscan peut être utilisé en détection linéaire (mode de fonctionnement) : L’appareil est déplacé suivant une ligne pouvant aller jusqu’à 30 m de longueur à la surface du béton et permet uniquement de détecter les armatures perpendiculaires à la direction de détection. On l’utilise par exemple pour déterminer l’espacement des cadres d’un poteau ou pour connaître rapidement l’enrobage d’éléments linéaires. La figure 2.2.4 illustre le dépouillement de mesures en mode détection linéaire avec le logiciel Ferroscan.

Diamètre des fers si connu

Epaisseur du support

Profondeur d’enrobage

Détection de 2 armatures côte à côte

Espacement entre aciers Figure 2.2.4 : Dépouillement avec le logiciel Ferroscan d'une détection linéaire

Les résultats sont les suivants : Enrobage maximal : 30 mm Enrobage minimal : 15 mm Enrobage moyen : 22 mm Ecart-type : 5 mm En exportant les données sous Excel, on peut également déterminer l’espacement entre les barres d’armature.


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S’il a été déterminé par sondage, ou que l’on dispose des plans de ferraillage, le diamètre des fers détectés peut être entré dans le logiciel. Cela permet d’obtenir une meilleure précision de la profondeur d’enrobage. Si le parement en béton est irrégulier on peut par exemple déplacer le scanner sur une planche en bois maintenue contre l’élément en béton. Dans ce cas, ou dans le cas de la présence d’un revêtement (mortier hydraulique, chape, isolation, etc…), il ne faut pas oublier d’indiquer l’épaisseur de ce support afin de mesurer réellement l’enrobage de béton autour des armatures. Lors du dépouillement il faut parfois supprimer manuellement certaines valeurs aberrantes. D’autre part la détection de 2 armatures trop proches peut fausser la mesure de l’enrobage. Comme tous les appareils de mesure cet appareil a ses limites : -

Il ne détecte les aciers que sur une profondeur de 10-12 cm 2 armatures ne peuvent être différenciées que si leur espacement est supérieur à leur enrobage Les éléments métalliques présents dans le béton ou à proximité peuvent créer des interférences er rendre la mesure inexploitable. Par exemple des gaines coulées dans le béton ou la présence d’un rail à la surface d’une poutre.

2.2.3.2 Mesures de potentiel Cette méthode permet de détecter les armatures corrodées et d’évaluer leur risque de corrosion. Elle est non destructive. Le principe de cette technique est de mesurer la différence de potentiel entre l’armature et l’électrode de référence avec un potentiel constant et connu. Les barres d’armature avec corrosion se distinguent des barres intactes par un potentiel qui est de plusieurs 100mV plus négatif. Les valeurs mesurées doivent toujours être comparées aux autres valeurs obtenues sur l’ouvrage, il n’y a pas de valeur absolue de référence. Les mesures effectuées sur des surfaces représentatives permettent d’établir une cartographie des probabilités de corrosion et de localiser les zones à risque maximum. En pratique, la mesure nécessite la mise à nu d’une armature, sa connexion à une borne d’un multimètre à haute impédance, dont l’autre borne est reliée à une électrode de référence placée sur le parement. Attention, en environnement chimique cette méthode ne fonctionne pas. Au CEBTP, l’appareil Canin est utilisé. 2.2.3.3 Mesures de carbonatation La carbonatation est un des deux facteurs responsable de la dépassivation des armatures. Parmi les méthodes de mesure de la profondeur de carbonatation, celle qui est le plus simple à mettre en œuvre est le test à la phénophtaléine. Elle consiste à mesurer le front de coloration de ce colorant sensible au pH, que l’on pulvérise sur une coupe fraîche de béton comme illustré sur la figure 2.2.5.

Sondage 1 : Profondeur de carbonatation : 0 à 10 mm

Sondage 2 : Profondeur de carbonatation : 0 à 25 mm Figure 2.2.5 : Test à la phénophtaléine sur un poteau


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La profondeur de carbonatation peut alors être comparée à la profondeur d’enrobage des armatures. Lorsque la profondeur de carbonatation du béton est supérieure à la profondeur d’enrobage des armatures, celles-ci sont dépassivées et sont potentiellement soumises à la corrosion. Dans l’exemple de diagnostic de corrosion présenté au paragraphe suivant la comparaison entre la profondeur d’enrobage et de carbonatation est étudiée.

2.2.4 Exemple : Diagnostic de corrosion 2.2.4.1 Description de l’affaire

Figure 2.2.6 : Photographie du bâtiment diagnostiqué

Dans le cadre d’une opération de maintenance, le client nous a demandé d’effectuer un diagnostic des structures (poteaux, poutres et voiles) d’un bâtiment servant actuellement de garage/ entrepôt. Le bâtiment de section rectangulaire est composé d’une structure de type poteaux-poutres encastrés le tout en béton armé. Il compte 9 travées de 5.05m (axe à axe) soit une longueur totale de 45 m, et fait 12.50m de large. Les poteaux sont partiellement noyés dans les voiles à priori en agglos. Selon les renseignements du client, ce bâtiment daterait du début du XXème siècle. Le but de la mission étant également d’étudier la faisabilité des réparations, il est important d’effectuer un relevé quantitatif des résultats. Un relevé visuel du type de désordres affectant l’ouvrage a donc été réalisé et pour chaque désordre observé le linéaire a été mesuré. Comme la mission n’était pas de déterminer la capacité portante des éléments, les sections et la position des armatures n’ont pas été relevées et la qualité mécanique du béton (écrasement d’une carotte) n’a pas été déterminée. 2.2.4.2 Résultats du relevé visuel Le relevé visuel nous a permis de définir des désordres ayant 3 origines différentes : Désordre de mise en œuvre Quelques zones de ségrégation ont été observées localement (voir figure 2.2.7). La ségrégation est due à une vibration insuffisante du béton lors du coulage de l’élément qui engendre des caractéristiques physiques et mécaniques amoindries du béton (grande porosité, cohésion et résistance plus faible du béton…). De nombreuses zones de ragréage ont été relevées, principalement sur les arêtes de poteaux. Ces ragréages ont certainement été réalisés lors de la construction du bâtiment, suite à des défauts observés sur le poteau Figure 2.2.7 : Ségrégation observée sur un poteau


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après son décoffrage : ségrégation ou enrobage insuffisant. Désordre mécanique Des désordres dus aux dilatations thermiques différentielles entre béton et briques laitières situées en tête de poteaux ou entre briques laitières et enduit ont provoqué la création de fissures aux interfaces entre les deux matériaux comme illustré sur la figure 2.2.8. Figure 2.2.8 : Fissures à l'interface béton brique laitière

De nombreuses fissures verticales ou biaises sont visibles aux angles inférieurs des fenêtres. Les fissures majoritairement traversantes, présentent parfois des ouvertures importantes supérieures au millimètre et des éclats. A l’intérieur, la peinture est écaillée au droit de ces fissures, signe d’humidité. Ces fissures doivent être dues à de légères déformations de la structure. Désordre pathologique Les désordres pathologiques principalement observés sont dus à la corrosion des armatures. Ce phénomène de corrosion des armatures, selon son stade d’avancement, engendre différents stades de dégradation. Les photographies ci-dessous illustrent ces différents stades observés sur la même structure, et parfois sur le même élément. Ils sont classés dans l’ordre progressif de détérioration d’une structure.

Figure 2.2.9 : Fissuration

Figure 2.2.11 : Décollement du béton

Figure 2.2.10 : Armature foisonnante Figure 2.2.12 : Armatures apparentes corrodées

Lors du diagnostic les zones de décollements du béton sont purgées afin de garantir la sécurité des personnes. Il s’agit de la première mesure de sécurité à entreprendre. De plus, cela permet de déterminer l’étendue de la corrosion sous le béton. 2.2.4.3 Interprétation et mesures Dans un premier temps, il faut déterminer l’origine de la corrosion des armatures, qui est le désordre le plus important observé sur la structure. Comme celle-ci ne se trouve pas en milieu marin et n’est pas à proximité des épandages de sels de déverglaçages, on peut raisonnablement penser que c’est le phénomène de carbonatation qui est à l’origine de la dépassivation des armatures et non une attaque des chlorures. Une analyse chimique effectuée sur un prélèvement de béton permet de valider qu’il n’y a pas de chlorures présents dans le béton.


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Des mesures de carbonatation au test à la phénophtaléine et des mesures d’enrobage des armatures par investigations pachométriques ont été effectuées sur les poteaux. Ces méthodes ont été décrites au paragraphe 2.2.3. La combinaison des résultats des mesures de carbonatation et d’enrobage permet de déterminer le risque de développement d’un phénomène de corrosion, ce risque existe si la profondeur de carbonatation est équivalente ou dépasse l’enrobage des aciers car ceux-ci ne sont plus protégés par la fonction alcaline du béton. Le graphique ci-après représente les deux fonctions enrobage et carbonatation à partir de mesures effectuées sur les poteaux.

90

Profondeurs en mm

80 70 60 50 40

Enrobage

30

Carbonatation

20 10 0 0%

20%

40%

60%

80%

100%

Pourcentages Figure 2.2.13 : Comparaison entre la profondeur de carbonatation et d'enrobage

Pour l’enrobage, le graphique représente le pourcentage de cadres des poteaux ayant un enrobage inférieur à x mm. Environ 30 % des cadres ont un enrobage inférieur à 30 mm (enrobage règlementaire selon le BAEL). La courbe de la carbonatation représente le pourcentage de poteaux atteint d’une profondeur de carbonatation inférieure ou égale à x mm. Actuellement, 20% des cadres ne sont plus protégées par le caractère basique du béton et sont susceptibles de développer un phénomène de corrosion. Ces pourcentages sont faibles, compte-tenu de l’âge du bâtiment et s’expliquent à la fois par l’enrobage assez important des armatures (80% des armatures ont un enrobage égal ou supérieur à 30 mm) et aux valeurs de carbonatation relativement faibles. On peut également évaluer l’évolution du pourcentage d’armatures potentiellement corrodées dans les 5, 10, 15 prochaines années. En effet la profondeur de carbonatation est proportionnelle à la racine carrée du temps. Influence des désordres de mise en œuvre Ils ne remettent pas en cause la durée de vie de l’ouvrage mais favorisent l’apparition de désordres. La ségrégation du béton rend celui-ci beaucoup plus poreux et facilite la pénétration et la diffusion du dioxyde de carbone dans le béton. Le ragréage, de qualité moindre par rapport au béton n’a pas permis de protéger les armatures de la corrosion. De ce fait, la majorité des décollements ou corrosion/foisonnement des aciers se situe sur des zones présentant un béton de qualité médiocre (grande porosité/ségrégation) sur lequel un ragréage a été appliqué.


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2.2.4.4 Conclusion Malgré un état général structurel ne portant pas atteinte à sa stabilité, le bâtiment doit impérativement subir des réparations pour maintenir les caractéristiques mécaniques des éléments, aujourd’hui ponctuellement amoindries. Cette affaire n’a pas présentée de difficulté particulière, la majorité des désordres sont clairement dus à la corrosion des armatures et facilement identifiable. Il est à noter que nous avons également observé des dégradations d’ordre mécanique qui font l’objet de la partie suivante.

2.3 Dégradation d’ordre mécanique Les dégradations d’ordre mécanique se caractérisent par des fissures. Toutefois le béton est normalement fissuré déjà à l’état de service. Les fissures « normales » sont liées au fonctionnement du matériau béton armé et ne sont pas préjudiciables. Ces fissures dites normales sont : -

Les fissures dues à la flexion et ayant une ouverture de 0,2 à 0,3 mm Et plus généralement des fissures ayant jusqu’à 0,4 mm d’ouverture

Les autres fissures sont des fissures dites « anormales » et peuvent être provoquées par : -

De mauvaises dispositions constructives (mauvaise disposition de l’armature, mauvaise composition du béton) Les effets de la température Les tassements du sol de fondation Les charges et forces agissant sur la structure

Ces fissurations anormales ont pour conséquences l’altération de la rigidité de la structure porteuse et la formation d’articulations non désirées ce qui provoque un changement de flux de forces et du système statique. Elles favorisent également la pénétration des facteurs de corrosion (humidité, CO2, chlorures…) Ces fissures dues à des dégradations mécaniques sont à distinguer des autres fissurations ayant pour origine des pathologies.

2.3.1 Moyens de détermination de l’origine des fissures La première étape consiste à effectuer un relevé de toutes les fissures avec un fissuromètre et les répertorier par type ; fissure verticale, horizontale ou biaise et à relever l’ouverture de chaque fissure. Afin de déterminer la profondeur d’une fissure, on peut utiliser le principe de l’auscultation ultrasonique en effectuant des mesures en surface, développé dans le paragraphe 2.4. En confrontant ces mesures avec des investigations pachométriques on peut définir si la fissure naît au niveau de l’armature. Si oui il s’agit d’un phénomène de corrosion. Afin de déterminer l’origine des fissures on procède par élimination. Disposition des armatures Premièrement, les investigations vont porter sur la disposition des armatures. Pour cela, on va effectuer des investigations pachométriques qui vont nous permettre de déterminer l’enrobage des armatures, leur diamètre, l’espacement entre les armatures et leur nombre. Ce type d’investigation est détaillé dans le paragraphe 2.3.2 dans l’affaire traitée.


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Qualité du béton On teste également la qualité du béton en effectuant un carottage. La carotte sera écrasée afin d‘évaluer la résistance à la compression du béton. Si l’on soupçonne un problème de mise en œuvre comme par exemple le rajout d’eau au moment de bétonner ou l’emploi d’un béton de moins bonne qualité que celle demandée, on réalise des analyses chimiques : dosage en ciment, taux d’hydratation. Lorsque la structure à caractériser est de taille importante et que l’on ne souhaite pas effectuer de carottage dans chaque élément on peut caractériser l’homogénéité du béton et sa qualité physique en effectuant des mesures de propagation de la vitesse du son avec l’ausculteur sonique. Sous certaines conditions il est également possible de réaliser des corrélations entre la vitesse de propagation du son et la résistance à la compression mesurée sur carotte. La technique de l’auscultation sonique sera développée dans le paragraphe 2.4. Charges et forces agissant sur la structure En dehors des dispositions constructives on peut soupçonner un chargement trop important de la structure. Il faut alors calculer la capacité portante des éléments et déterminer par le calcul quelles charges ils peuvent supporter. Le relevé visuel accompagné de mesures de flèches donne de premiers indices sur le déficit de capacité portante. L’allure et la position des fissures nous informent sur le type de sollicitations : si la fissure est plus ouverte en partie basse et située en milieu de portée, il s’agit très certainement d’une fissure de flexion. Lorsque l’on soupçonne le tassement du sol de fondation, un suivi de la structure est proposé par la mise en place d’une instrumentation à l’aide de déformètres à billes, d’inclinomètres, etc., et le relevé de ces appareils. Si on constate que la structure ne bouge plus on peut envisager des réparations. Dans le cas contraire, il faut effectuer une étude géotechnique et une reconnaissance de fondations afin de déterminer sur quel type de sol reposent les fondations. Remarque : la détermination de la capacité portante de la structure traitée dans la partie 3.1 de ce rapport nécessite de mener les investigations citées ci-dessus. L’application de ces méthodes est exposée dans un exemple d’affaire traitée au paragraphe suivant.

2.3.2 Exemple de reconnaissance de structure sur un bâtiment 2.3.2.1 Description de l’affaire Le réaménagement de l’ancien bâtiment des Charbonnages de France implique la mise en place d’un nouveau pont roulant susceptible de soulever une charge de 20 tonnes dans le bâtiment AC4 sur le site de Carling. Sans connaissance sur l’actuelle structure du bâtiment, le maître d’ouvrage, l’entreprise VFLI Cargo ayant fait récemment l’acquisition de ce bâtiment, a passé la commande d’une mission visant à en vérifier la faisabilité. En effet du temps de l’exploitation du bâtiment par l’ancien propriétaire, la structure supportait un pont roulant de 5 tonnes. D’après les données dont dispose le Maître d’Ouvrage, le bâtiment aurait été construit en 1954. Les structures en béton armé ont donc probablement été dimensionnées selon le BA 45.


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Figure 2.3.1 : Photographie de l'intérieur de la structure étudiée

2.3.2.2 Objets des investigations Une première mission visant à caractériser la capacité portante des poutres supportant le pont roulant avait déjà été effectué par GINGER CEBTP en 2008. Voici les résultats de ces premières investigations : -

Les poutres du pont roulant ont une capacité maximale pouvant supporter un pont roulant de 11 tonnes. Une étude complémentaire a montré que les déficits des moments résistants par rapport aux moments imposés des poutres sont minimes pour la présence d’un pont roulant de 12,5 tonnes. Si le Maitre d’Ouvrage souhaite mettre en place un pont roulant de capacité plus importante, il est indispensable de conforter les poutres aussi bien en travée qu’en chapeau, dont les ferraillages en place sont trop faibles. Le CEBTP a indiqué quelques pistes de confortement. Les sections d’acier complémentaires pourront être à base d’armatures complémentaires avec enrobages de béton, de plats collés ou de TFC (Toile de fibre de carbone).

-

Le cas de la mise en place de 2 ponts roulants de 10 tonnes à également été étudiée (le calcul a été réalisé pour un espacement de 2 m entre les 2 ponts). On relève 3 zones déficitaires : en travée et sur appui pour la flexion, et sur appui également pour l’effort tranchant. Les missions auxquelles j’ai participée concernent l’étude des poteaux et corbeaux soutenant le pontroulant ainsi que les fondations. Les investigations menées sur les poteaux et les corbeaux sont résumées ci-après. Méthodologie et moyens mis en œuvre Compte tenu du caractère répétitif de la structure et de l‘absence de joint de dilatation dans la structure, l’étude a concerné 4 éléments (choisis pour leur accessibilité à la nacelle), à savoir : -

Corbeau C2 et Poteau C3 : partie courante du bâtiment

-

Corbeau A2 et Poteau A2 : en rive de bâtiment

(Voir les plans du bâtiment en Annexe 2.1) La mission a consisté sur site à identifier les ferraillages et la qualité du béton de ces éléments :


- 28 -


-

Ferraillage :

longitudinal et cadres des poteaux en compression (section d’armatures, type, espacements des cadres et enrobages)

-

des corbeaux (section section d’armatures, d’armatures disposition et type, espacements des cadres et enrobages)

Ces paramètres ont été obtenus soit par des moyens non destructifs (Images ou Détections FERROSCAN) soit par sondages destructifs dest au burineur électrique.

Qualité du béton

La qualité du béton a été évaluée à partir de mesures d’auscultation sonique sur plusieurs poteaux et corbeaux (pour s’assurer de l’homogénéité générale du béton) et par la réalisation de 2 carottages sur poteaux qui ont été écrasés en laboratoire pour la détermination étermination de la résistance en compression. La synthèse de ces relevés est confiée à un BE, qui a en charge les calculs qui ont pour but : -

de vérifier l’aptitude de ces éléments à reprendre les efforts apportés par le pont roulant prévu (un pont roulant de 11,5 tonnes) de déterminer la capacité portante maximale de ces éléments.

Il est à noter qu’aucun désordre apparent n’affecte la structure. De ce fait aucune investigation supplémentaire n’a été réalisée. 2.3.2.3 Méthodes d’auscultation Détermination du ferraillage par mesures mesure pachométriques Un autre mode de fonctionnement du Ferroscan est d’effectuer une détection par « fenêtres » : on trace préalablement à l’utilisation de l’appareil un quadrillage de 60 cm par 60 cm dont les lignes et colonnes sont espacées acées de 15 cm à la surface du béton dans la zone que l’on souhaite inspecter. Puis l’appareil est déplacé sur chaque ligne et chaque colonne du cadre ; on obtient ainsi le ferraillage de cette zone. On peut évaluer le diamètre des armatures et leur enrobage. enroba Cadre

Filant

Figure 2.3.4 : Quadrillage sur le poteau analysé


Figure 2.3.3 :Fenêtre pachométrique

- 29 -

Figure 2.3.2 : Fenêtre pachométrique avec points d'analyses du logiciel


Ci-dessous le tableau des résultats correspondant aux points d’analyse. Numéro Enrobage Diamètre Orientation 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

mm 30 33 28 32 35 30 33 30 39 37 36 10 17 25 22 24 24 36 28 12 22 27 25

20mm 36mm 14mm 14mm 14mm 20mm 12mm 14mm 14mm 12mm 14mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm 8mm

V V V V V V V V V V V H H H H H H H H H H H H

Filant 1

Diamètre de 14 à 36 mm Enrobage de 28 à 33 mm

Filant 2


Filant 3


Le diamètre des cadres a été fixé lors de l’analyse à 8 mm, déterminé par sondage, afin d’obtenir une meilleure précision de leurs enrobages et des diamètres des filants.

Tableau 2.3.1 : Points d'analyses de l'image pachométrique

L’interprétation des résultats obtenus par cette méthode n’est pas évidente. Prenons l’exemple du filant 1 de l’analyse illustrée à la page précédente : le diamètre indiqué varie du simple au double. La précision de l’analyse n’est pas très bonne et dépend de la qualité de l’image scannée. De plus les armatures très proches les unes des autres peuvent apparaître comme une seule à l’écran. Il est donc possible qu’il y ait un recouvrement d’armatures au niveau du point de mesures n°2. De ces résultats on peut également supposer que le diamètre du filant 1 est plus important que les diamètres des filants 2 et 3. De plus on peut faire l’hypothèse que le poteau est ferraillé symétriquement et que les filants 2 et 3 ont le même diamètre. Mais toutes ces hypothèses doivent impérativement être contrôlées et confirmées par des sondages, judicieusement localisés, afin de mettre les fers d’armatures à nu. Sondages destructifs La localisation des sondages au burineur électrique s’appuie sur les investigations non destructrices au pachomètre. Celui-ci nous a permis de déterminer la position des armatures. On a ainsi choisit une zone permettant de mettre à jour le filant 1 et un cadre et une seconde zone mettant à jour le filant 2 et un cadre. Les sondages doivent être réduit au minimum et localisés afin d’obtenir un maximum d’informations à la fois (zone de croisement des armatures).


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Filant : Acier lisse Diamèt : 14 mm Diamètre Enrobage : 32 mm

Filant : Acier lisse Diamètre : 18 mm Enrobage : 30 – 35 mm

Cadre : Acier lisse Diamètre : 8 mm Enrobage : 22 à 36 mm Figure 2.3.5 2.3 : Sondages destructifs sur le poteau A2

Ces sondages ne servent pas uniquement à confirmer les investigations pachométriques, ils sont également indispensables pour déterminer le type d’acier : ronds lisses, acier Caron, Nersid, Tentor, Tor,, etc... La connaissance du type d’acier permet de déterminer d miner leur limite élastique qui est une donnée nécessaire pour le calcul de la capacité portante des éléments. 2.3.2.4 Résultats : ferraillage des corbeaux et des poteaux Poteaux Les investigations pachométriques ont été effectuées sur les faces des poteaux C3, C4, C A2 et A3 à hauteur d’homme. Les sondages destructifs qui ont été réalisés réalisé sur les poteaux C3 et A3 afin de mettre à nu les armatures sont ont indiqués sur les figures 2.3.6 et 2.3.7. 2.3 Les dépouillements des images pachométriques, des tests de carbonatation et la synthèse des sondages destructifs sont donnés en Annexe 2.2. Les résultats de ces investigations sont synthétisés sur les schémas de ferraillage suivants. Nous avons fait l’hypothèse thèse que le ferraillage du poteau est symétrique. Figure 2.3.6: Ferraillage des poteaux de la file C

Sondage


- 31 -


Sondage

Figure 2.3.7 : Ferraillage des poteaux de la file A

Tous les ferraillages des poteaux (cadres et filants) sont lisses. Corbeaux Le ferraillage type d’un corbeau est illustré sur les figures suivantes (issues du BAEL 89) :

Figure 2.3.8 : Principe de ferraillage d'un corbeau

Dans notre cas comme l’illustre la figure 2.3.7 la poutre sur laquelle circule le pont roulant est noyée dans le corbeau.


- 32 -


Les premières investigations réalisées en partie inférieure du corbeau nous ont permis de constater que le ferraillage principal du corbeau ne venait pas s’ancrer dans le poteau sous la poutre du pont roulant mais qu’il s’ancrait à priori dans le poteau au niveau supérieur de la poutre qu’il traversait. Cette seconde hypothèse ypothèse a été confirmée par pa le sondage 5 réalisé par la suite. Les schémas suivants illustrent la position des fenêtres pachométriques relevées et des sondages destructifs afin de déterminer le ferraillage des corbeaux :

Sondage 1

Sondage 2

Figure 2.3.9 : Position des sondages effectués sur le corbeau C2

Cadre vertical : Lisse 10 mm

Filant vertical : Lisse 20 mm

Filant vertical : Lisse 20 mm Acier principal : Nervuré 16 mm Figure 2.3.11 : Photographie du sondage 1


Figure 2.3.10 : Photographie du sondage 2

- 33 -


Sondage 5

Sondage 6 Sondage 3

Sondage 4

Sondage 5

Figure 2.3..12 : Position des sondages sur le corbeau A2

Le sondage destructif n°5 a été nécessaire car la p résence de la poutre noyée noyé dans le corbeau ont empêché les investigations pachométriques sur la face latérale du corbeau. De même la présence de la platine et du rail du pont roulant ont empêché ces investigations sur le dessus des corbeaux et ont perturbés (interférence électromagnétique) électromag les mesures effectuées (images images Ferroscan FS1007 et FS1008 inexploitables).


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Filant vertical : Lisse 18 mm


Acier principal : Tor 14 mm Cadre poteau : Lisse 10 mm Figure 2.3.13 : Photographie du sondage 3

Figure 2.3.14 : Photographie du sondage 4

Prolongation des aciers principaux du corbeau dans la poutre : Tor 14 mm

Figure 2.3.15 15 : Photographie du sondage 6

Figure 2.3.16: Photographie du sondage 5

Le sondage 6 (figure 2.3.15)) a été réalisé afin de confirmer ou d ‘infirmer la présence de cadres horizontaux dans le corbeau ayant pour rôle d’éviter des fissures et des épaufrures aux extrémités des consoles. En effet, on ne visualise pas ces cadres sur les images pachométriques (FS ( 977), or ils sont nécessaires à la stabilité du corbeau et entre en compte dans le calcul de sa capacité portante. Il a donc fallu être sûr qu’ils soient présents ou non. La figure 2.3.15 montre bien qu’aucun cadre n’a été mis à jour. Un sondage supplémentaire identique au sondage 6 a de ce fait été effectué sur le corbeau C2. Il a permis per de mettre à jour (figure 2.3.17) un cadre horizontal. Cadre horizontal : Lisse 5 mm

Figure 2.3.17 2.3 : Sondage visant à mettre à jour un cadre horizontal sur le corbeau C2

Les résultats de ces investigations sont synthétisés sur les schémas de principe de ferraillage suivants.


- 35 -


Figure 2.3.18 2.3 : Schéma de ferraillage du corbeau C2

Figure 2.3.19 2.3 : Schéma de ferraillage du corbeau A2

Remarque : afin d’aller dans le sens de la sécurité, on fait l’hypothèse que les cadres horizontaux en face frontale ne sont pas présents dans le corbeau de la file A (non visualisés au ferroscan et par sondage).


- 36 -


2.3.2.5 Résultats : qualité du béton Carottages Deux eux carottages ont été effectués sur les poteaux A2 et C3 en vue d’être écraser afin de qualifier les le qualités mécaniques du béton. En effet les poteaux étant soumis à des efforts de compression, leur capacité portante dépend directement de la qualité du béton éton ; cette information est capitale. Les carottes ont été prélevées à hauteur d’homme après avoir préalablement vérifié le ferraillage est évité par une détection pachométrique. Pour pouvoir effectuer une compression des carottes, celles-ci celles ne doivent pass contenir d’armatures. Les résultats des essais de compression sont donnés dans le tableau 2.3.2 : Eprouvette Résistance

C1 – Poteau A2

C2 – Poteau C3

16.5

20.5

(MPa MPa) Tableau 2.3.2 : Résultats des essais de compression

Commentaires : La résistance à la compression du béton dans les poteaux est relativement faible, qui peut être dû à une qualité moyenne du béton lors de la mise en œuvre ou à la fatigue de la structure. Pour le calcul de la capacité portante on choisira la valeur la plus faible de la résistance obtenue sur carotte. Auscultation ultrasonique L’auscultation ultrasonique, sonique, méthode d’investigation non destructive, a été utilisée sur cette ce affaire afin de caractériser l’homogénéité ogénéité du béton sur les divers éléments (poteaux et corbeaux). Les mesures ont été effectuées en transparence comme c illustrée sur la figure 2.3.20 à l’aide de l’appareil AU 2000.

Figure 2.3.20 : Mesure en transparence

NOTA : l’auscultation sonique fait l’objet du chapitre 2.4 de ce rapport.. Il y est expliqué précisément le principe de cette mesure ainsi que ses diverses applications. Les mesures de vitesse du son en transparence ont été effectuées effectuées sur les éléments suivants : -

Corbeaux A2 et C2

-

Poteaux A2, A3 et C3, C4

Les résultats des mesures de vitesse du son sont récapitulés dans le tableau ci-dessous ci dessous :


- 37 -


Elément

Poteau

Corbeau -

Vitesse moyenne

Ecart type

(m/s)

(m/s)

Poteau A2

4031

183

Poteau A3

4397

193

Poteau C3

3934

191

Poteau C4

4158

264

Corbeau A2

4105

270

Corbeau C2

3829

71

Zone

Tableau 2.3.3 : Résultats des mesures de vitesse du son

Pour l’ensemble des éléments auscultés, les vitesses moyennes s’échelonnent de 3829 à 4397 m/s avec un écart type variant de 71 à 270 m/s. Les tests de Dixon et Shapiro appliqués sur les mesures de tous les éléments montrent que l’ensemble des distributions suit une loi normale, ce qui signifie que la qualité du béton des différents éléments est comparable. Le béton est donc de bonne qualité physique (V > 3800 m/s) et est homogène pour tous les éléments. Remarque : les mesures d’auscultation sonique effectuées ne nous permettent pas de tirer des conclusions en ce qui concerne la qualité mécanique du matériau. Conclusion La géométrie des éléments (poutres, poteaux et dalles) dont la charge se reporte sur le poteau C3 a été relevé afin de déterminer leur poids et de calculer la descente de charge sur ce poteau, donnée en Annexe 2.3. Ces investigations ont permis de récolter les informations nécessaires au recalcul de la structure par un bureau d’étude. Les calculs fournit en Annexe 2.4 ont montrés que les poteaux sont suffisamment dimensionnés pour reprendre les efforts apportés par la mise en place d’un pont roulant de 12.5 tonnes. Concernant les corbeaux, les armatures supérieures ont une section suffisante, mais les cadres horizontaux présentent un déficit de section de 61 %. Pour installer un pont roulant de capacité 12.5 tonnes il sera donc indispensable de conforter les corbeaux. Plusieurs propositions de réparations peuvent être envisagées : -

-

Mise en œuvre d’une section d’armatures, au moins identique au déficit relevé, fixée sur le corbeau et traversant les poutres avec ancrage dans le poteau. Reconstitution des parements du corbeau et du poteau en assurant un enrobage suffisant. Frettage de la face avant du corbeau et de l’arrière du poteau par mise en place de profilés et barres de liaison (à passer dans des percements réalisés en partie courante des poutres).

NOTA : cette solution peut être combinée à un renforcement local par TFC (toile de fibre de carbone).


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2.4 Un moyen d’investigation passée à la loupe : l’auscultation ultrasonique L’appareil d’auscultation ultrasonique AU 2000 a été développé au sein même du CEBTP. Cet appareil permet de réaliser des mesures non destructives portant sur l’évaluation : -

De l’homogénéité du matériau béton De la qualité mécanique du béton en effectuant une corrélation entre les mesures de vitesse du son et les résultats d’essai à la compression réalisés sur des carottes. De la profondeur d’une couche de béton altérée en surface De la profondeur d’une fissure

Figure 2.4.1 : Photographie de l'AU 2000

Remarque : l’appareil permet également de caractériser d’autres matériaux que le béton, tels que la pierre, la maçonnerie, les structures métalliques et même le bois. Mais ceux-ci ne font pas l’objet de cette étude. Dans cette partie nous verrons dans un premier temps la réalisation du guide d’utilisateur de cet appareil, puis nous étudierons en détail cette technique d’auscultation ; le principe de fonctionnement de l’appareil, l’interprétation des résultats, les limites de cette technique et pour quelles applications il est pertinent de l’utiliser.

2.4.1 Rédaction du guide d’utilisateur 2.4.1.1 Objet du guide Le comité technique structure/pathologie de l’entreprise GINGER CEBTP a fait la constatation que de nombreux techniciens et chargés d’affaires ne savent pas utiliser correctement l’appareil d’auscultation sonique AU 2000 et n’interprètent pas correctement les résultats. De plus il existe une réelle demande de la part des employés amenés à utiliser pour la première fois cet appareil, de connaître ses caractéristiques, de savoir comment l’utiliser au mieux et même d’en maîtriser la théorie. C’est pourquoi il a été décidé de rédiger un guide d’utilisation de la technique de l’auscultation ultrasonique et plus précisément de l’appareil AU 2000 et de son logiciel de dépouillement Auscult 32. Cette mission m’a été confiée dans le cadre de mon Projet de Fin d’Etudes. Le paragraphe suivant met en avant la méthodologie que j’ai utilisée pour arriver au résultat final. 2.4.1.2 Méthodologie Recherche bibliographique La première partie de mon travail a été de rassembler et d’étudier les documents existants présentant la méthode de l’auscultation ultrasonique. J’ai disposé de plusieurs documents rédigés par des


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membres du CEBTP et principalement par le créateur de l’appareil D.VIE. Mais ces documents sont pour la plupart anciens et succincts. Ils restent assez théoriques et ne parlent pas des limites d’utilisation de l’appareil, ni de la mise en pratique de la mesure. Cette technique d’auscultation ultrasonique étant relativement peu connue et peu appliquée, seules 3 normes y font référence : -

Norme NF EN 12504-4 : Essais pour béton dans les structures - Partie 4. Détermination de la vitesse de propagation du son (Mai 2005) Norme NF EN 13791 : Evaluation de la résistance à la compression sur site des structures et des éléments préfabriqués en béton (Septembre 2007) Norme NF P 18-418 : Auscultation sonique (Décembre 1989)

La norme NF P 18-418 qui n’est plus en vigueur est la norme la plus complète des trois. Elle donne des indications sur la manière dont doivent être effectuées les mesures, ainsi que la précision nécessaire. Cette norme a été remplacée par la norme NF EN 12504-4, dans laquelle sont exposés les paramètres influant sur les mesures de vitesse du son, mais qui ne donne par exemple aucune indication sur le nombre de mesures à réaliser, l’exploitation des résultats, etc … La norme NF EN 13791 se rapporte à l’auscultation ultrasonique par la normalisation de la corrélation entre les mesures de vitesse du son et les résistances à la compression du béton obtenue sur des éprouvettes. L’étude de tous ces documents permet de se familiariser avec le principe de fonctionnement de la technique et de l’appareil, mais n’est pas suffisant pour rédiger un guide. Pour cela il faut concrètement utiliser l’appareil ou à défaut d’un nombre d’utilisation conséquent, de recueillir l’expérience des utilisateurs. Recueillement de l’expérience des utilisateurs Un questionnaire a été rédigé à l’attention de l’ensemble des employés du service structure/pathologie afin de mieux connaître l’utilisation faite de l’ausculteur sonique dans les différentes agences en France. Ce questionnaire porte sur : -

La méthode de prise de mesures : quel couplant, quel type de capteur est utilisé ? Comment sont répartis les points de mesures ? Le dépouillement des résultats : utilisation ou non du logiciel Auscult 32 ? Quelles données sont utilisées pour interpréter les résultats ? Le cadre d’utilisation de l’ausculteur sonique : quels matériaux sont auscultés ? Des corrélations vitesses du son / résistance à la compression sont-elles effectuées ? Quand cette technique est-elle utilisée ?

Ces questions ont permis de connaître les points posant des difficultés aux utilisateurs mais également de recueillir leur expérience (dans quelles situations la prise de mesure n’a pas fonctionné par exemple) et d’illustrer le guide par des exemples. Par ailleurs, j’ai eu la chance de travailler en collaboration avec Madame Martine PASQUIGNON, qui travaille au CEBTP depuis près de 40 ans et dispose donc d’une expérience toute aussi longue de l’utilisation de la technique de l’auscultation ultrasonique. Les discussions partagées avec elle m’ont permis d’illustrer le guide de nombreuses remarques et exemples vis-à-vis de l’utilisation pratique de l’appareil mais également vis-à-vis de l’interprétation des résultats et de leur pertinence. Ceci m’a permis de recenser les points sur lesquels il faut insister dans le guide, ayant fait l’objet de difficultés précédemment.


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Ces informations ont été essentielles pour la rédaction de la partie pratique du guide ainsi que pour l’interprétation des résultats. En revanche afin de comprendre comment s’effectue le dépouillement des mesures j’ai étudié les principes théoriques sur lesquels sont fondés les techniques de mesures ainsi que la programmation du logiciel de dépouillement Auscult 32. La personne ayant programmé le logiciel m’a fournit l’ensemble de ses notes ainsi que le cahier des charges auquel devait répondre le logiciel. Expérimentation Par ailleurs, à l’agence de Nancy, qui n’est pas équipé d’un laboratoire de recherche, nous avons également réalisé 2 expériences afin de caractériser l’influence du type de couplant employé ainsi que l’influence du bruit lors de la mesure. Ces mesures ont été réalisées sur des éprouvettes bétons 16x32. L’étude des différents couplants a été concluante et a permis d’établir un classement de ceuxci et de mettre en évidence la nécessité d’utiliser un couplant. Quant à l’expérience réalisée sur l’influence du bruit, nous avons actionné successivement différentes machines bruyantes lors de la prise de mesure mais nous n’avons malheureusement pas constaté d’interférences au niveau des mesures. Toutes ces recherches m’ont amenées à la rédaction du guide concernant l’auscultation du béton, qui est donné en Annexe 3.

2.4.2 Principe de fonctionnement de l’appareil 2.4.2.1 Petit rappel sur le phénomène physique L’onde L’auscultation ultrasonique a pour but de mesurer le temps de propagation de la première impulsion d’un train d’onde entre deux points. L’onde est émise à partir d’un premier transducteur. Rappel sur les ondes : Les ultrasons sont des ondes élastiques dont la fréquence est comprise entre 15kHz environ et quelques centaines de Mégahertz. En deçà de cette bande, il s’agit de sons ou d’infrasons et au-delà de cette bande il s’agit d’hypersons. Il est important de noter que l’onde sonore longitudinale transporte de l’énergie sans transporter de matière. Création de l’onde : Un appareil produisant des ultrasons est appelé transducteur ou convertisseur, il utilise dans notre cas les propriétés des matériaux piézoélectriques pour convertir l’énergie électrique en une énergie mécanique ultrasonore. Pour fournir une onde ultrasonore, le principe consiste à fournir aux systèmes ultrasons une tension électrique dont la fréquence est égale à leur fréquence de résonance. Que mesure-t-on avec l’AU 2000 ? Après une distance de parcours L et un temps de propagation t dans le matériau elle atteint un second transducteur électro-acoustique qui va convertir l’onde en un signal électrique. On peut ainsi déterminer la vitesse de propagation de l’onde sonore dans le matériau : c =

L t

Fréquence de l’onde mesurée Les impulsions à haute fréquence s’amortissent plus rapidement que les impulsions de plus basse fréquence.


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C’est pourquoi il est recommandé d’utiliser des transducteurs à haute fréquence (60 kHz à 200 kHz) pour les distances de parcours courtes et des transducteurs à basse fréquence (10 kHz à 40 kHz) pour les distances de parcours longue. La norme EN 12504-4 4 préconise d’utiliser une fréquence propre des transducteurs compris entre 20 kHz et 150kHz. La fréquence des transducteurs de l’AU 2000 est de 60 kHz. Variation de la vitesse dans 1 matériau donné L’auscultation ultrasonique permet de localiser des défauts, des vides ou toutes autres malfaçons dans le matériau. Cette méthode est basée sur la très faible transmission de l’énergie des ultrasons au travers d’une lame d’air emprisonnée dans le matériau. Si la surface de vide rempli d’air est supérieure à la surface de contact entre le transducteur et le béton, la première impulsion captée par le transducteur transducteur de réception sera diffractée autour de la zone défectueuse et le temps de propagation sera plus long que dans un matériau homogène. 2.4.2.2 Principe de la mesure en transparence Mesure en transparence Le principe de la mesure en transparence directe consiste consis à déterminer le temps de propagation des ondes sonores longitudinales à travers un élément. L’émetteur et le récepteur sont appliqués sur les 2 faces opposées de l’élément à mesurer. Mesure en semi-transparence Cette méthode consiste à placer l’émetteur l’émette sur une face et le récepteur sur une face perpendiculaire.

On l’utilise lorsque l’ensemble de la structure n’est pas accessible. 2.4.2.3 Principe de la mesure en surface Cette méthode se pratique surtout lorsqu’une seule face de l’élément est accessible. L’émetteur metteur et le récepteur sont appliqués sur la même face plane de l’élément à mesurer. L’émetteur est fixe et le récepteur se déplace sur une ligne par rapport à l’émetteur pour la prise de mesures.

Afin que les mesures soient répétitives, représentatives et correctes un certains nombre de précautions doivent être prises qui sont exposées exposé dans le guide. Celles-ci ci ne sont pas rappelées dans le corps de ce rapport.


- 42 -


2.4.3 Dépouillement et interprétation des résultats pour les mesures en transparence 2.4.3.1 Calcul de la vitesse, de l’écart-type et de l’incertitude

La vitesse est simplement calculée en utilisant la formule : V = Avec

d : distance entre les 2 capteurs T : temps de parcours de l’onde mesuré par AU 2000

L’écart type est calculé par la formule suivante : Avec

d T

σ =

− 1 n    xi − x  ∑ n i =1  

2

n : nombre de mesures xi : vitesse calculée de la mesure i −

x : vitesse moyenne de l’ensemble des mesures

L’incertitude calculée traduit à la fois - l’incertitude sur la mesure, comprenant les incertitudes de lecture, de l’appareil, etc.… - les incertitudes issues de l’hétérogénéité du matériau. L’incertitude sur une mesure est calculée suivant la formule : Inc = t N , x × S N

Avec

SN =

− 1 n    xi − x  ∑ n − 1 i =1  

2

Et t N ,95 : le coefficient de Student à l’indice n, correspondant à un taux de confiance de x %. Quant à l’incertitude calculée sur une moyenne de mesures effectuées sur une zone, elle se calcule par la formule suivante :

Inc =

t N ,x N

× SN

Pour calculer l’incertitude sur une moyenne de mesures de vitesse du son dans une zone, on choisit généralement un taux de confiance de 95 % pour le coefficient de Student. Les valeurs de ce coefficient sont données par une table et dépendent du nombre N de mesures. 2.4.3.2 Tests numériques

Elimination des valeurs aberrantes : test de Dixon

Avant d’utiliser des tests statistiques, on peut supprimer certaines valeurs qui paraissent aberrantes et dont on connaît l’historique, comme par exemple un problème rencontré au moment de la mesure justifiant l’élimination de la mesure. Dans le cas d’une valeur suspecte mais dont l’historique de la prise de mesure ne justifie pas la valeur, on recourt à un test numérique : le test de Dixon, dont l'objet est de détecter les valeurs aberrantes contenues dans un ou des échantillons en vue de leur élimination.


- 43 -

Diagnostic de structures existantes Le test de Dixon sera pratiqué si N ≤ 25 (nombre de mesures) et ne permettra de détecter que si la valeur la plus extrême (i.e. la plus éloignée de la moyenne de l'échantillon) est une valeur aberrante (si elle est trop éloignée des autres). La formule utilisée varie en fonction du nombre de sujets à étudier, on calcule une valeur τ que l'on compare à une valeur limite issue de la table de Dixon :

Tableau 2.4.1: Formulaire du test de Dixon

Mode opératoire -

classer les valeurs dans l'ordre croissant, calculer l'étendue R de l'échantillon : R = xn-xi Avec xn : valeur la plus élevée xi : valeur ayant comme rang i dans le classement par ordre croissant

-

calculer les 2 différences τ définies dans le tableau ci-dessus en fonction du nombre de mesures on retient la plus grande de ces 2 différences qui correspond à la valeur extrême la plus critique Qt = τ max si ce quotient Qt est plus élevé que la valeur correspondante de la table, on considère que la valeur testée est aberrante (risque =0,05)

Evaluation de la normalité : tests de Shapiro et Wilk

Le test de Shapiro-Wilk (Shapiro et Wilk (1965)) permet de tester si les mesures sont issues d'une loi Normale. Ce test est plus puissant de tout autre connu (droite de Henry) lorsque la taille de l'échantillon est inférieure à 50 dans le cas d'une loi Normale. Mode opératoire -

Ranger les n mesures expérimentales par ordre de valeur croissante. Calculer la moyenne de cette série

-

Calculer le nombre Avec

Tn défini par Tn = ( y i − y moy ) 2 y moy : moyenne de l’ensemble des temps mesurés

yi : temps mesuré pour la mesures i n : nombre de mesures -

Calculer les différences suivantes :

d1 = y n − y1 d 2 = y n −1 − y 2


- 44 -


Etc. …… Remarque : si n = 2p (n pair), on aura p différences et si n = 2p + 1 (n impair) on aura aussi p différences, la mesure médiane n'intervenant pas. p

∑a d -

Calculer le nombre W défini par

W=

j

j =1

j

Tn

Les coefficients a j sont donnés par une table. -

On choisit un risque (5 % ou 1 %) et on compare la valeur de W à une valeur Wcrit, dite valeur critique, lue dans la table de Shapiro et Wilk.

La règle du test est alors la suivante : Si W > Wcrit on accepte, au risque choisi, l'hypothèse de normalité de la série de mesure. Si W < Wcrit on rejette l'hypothèse de normalité de la série de mesure.

Détermination de zones d’homogénéités différentes : diagramme de Henry

Le test de Henry est également un test de la normalité de la distribution mais nous permet essentiellement de déterminer des zones d’homogénéité différentes de la qualité du béton Construction du diagramme de Henry : -

Calculer l’effectif cumulé (fonction RANG sous Excel) Calculer la fréquence cumulée Calculer le Normit (fonction LOI.NORMALE.STANDARD.INVERSE (fréquence cumulée) sur Excel) Représenter graphiquement Normit en fonction des temps mesurés Diagramme de Henry - Poteau C4 2.000 1.500

Zone 1

Zone 2

Fonction Normit

1.000 0.500 0.000 100

105

110

115

120

-0.500

Zone 3

-1.000 -1.500 Tem ps

Série1 Linéaire (Série1)

On peut ainsi définir arbitrairement 3 zones d’homogénéité de la qualité du béton. Attention, pour différencier différentes zones, il faut tout de même que l’écart soit significatif.


- 45 -


2.4.3.3 Comparaison des mesures Ce test permet de déterminer si les différentes zones de mesure peuvent être comparables. Considérons l’exemple suivant : 2 séries de mesures ont été effectuées sur les poteaux de 2 niveaux. Pour chaque série, le test de Dixon a été réalisé afin d’éliminer les valeurs aberrantes, puis le test de Shapiro et Wilk a montré que les distributions suivent une loi normale, celles-ci sont représentées sur le schéma ci-dessous. 0.25

0.2

σ2 0.15

Poteau 1

σ1

0.1

Poteau 2

0.05

0 0

5

10

15

20

25

30

-0.05

µ2

µ1

Soit µ1 et µ2 les vitesses moyennes calculées sur les poteaux des niveaux 1 et 2, et σ1 et σ2 les écarts types des valeurs calculées sur les poteaux des niveaux 1 et 2. Le schéma ci-dessus met bien en évidence que les vitesses du son et l’écart-type sont différents pour les 2 niveaux. Il faut donc vérifier si ces 2 populations peuvent être comparées. Pour cela on utilise à nouveau des tests statistiques :

Le test d’égalité des variances :

L’inégalité suivante est à vérifier :

σ2 1 ≤ 12 ≤ Fractile Fractile σ 2

Fractile : fractile de la loi de Fischer pour un niveau de confiance de 95 %, dont la valeur est donnée dans une table (voir Annexe 4) Le test de la différence de 2 moyennes : Ce test permet de mettre en évidence une différence significative entre 2 populations, c'est-à-dire 2 qualités distinctes de béton, si l’inégalité suivante est vérifiée :

µ1 − µ 2 ≤ u

1−

Avec

α 2

σ 2 σ 2  ×  1 + 2  n2   n1

n1 et n2 : le nombre de mesures effectuées pour chaque population.


- 46 -


u

1−

α

: fractile de la loi de Student pour un niveau de confiance de 95 %

2

Pour pouvoir comparer la qualité du béton des 2 poteaux (pour notre exemple), il faut que les 2 tests décris précédemment soient positifs. De plus ces tests doivent être effectués sur les zones en les comparant 2 à 2 ; si A et B sont comparables, de même que A et C, il faut tout de même effectuer les tests pour B et C.

2.4.3.4 Corrélation résistance à la compression / vitesse du son IMPORTANT : Il n’existe pas de relation physique entre la vitesse de propagation du son et la résistance en compression du béton ; tous les essais aussi bien en France qu’à l’étranger n’ont permis d’établir que des corrélations empiriques. Le type de ciment, le dosage en ciment, la mise en œuvre d’adjuvants augmentent la résistance sans influer sur la vitesse. C’est pourquoi sur chaque structure il faut définir une corrélation entre ces 2 grandeurs et celle-ci ne sera valable que dans ce cas précis. Les tests « égalité des variances » et « estimation de la différence de 2 moyennes » sont importants pour avoir connaissance des populations pouvant être apparentées ou étant totalement indépendantes. Les résultats permettent de déterminer le nombre et la localisation des carottages de référence qui permettront d’établir la ou les corrélation(s). En effet dans l’exemple cité auparavant si les tests de comparaison sont négatifs il faut effectuer 1 corrélation différente pour chaque niveau. Ce qui signifie que si les tests de comparaison de l’ensemble des éléments d’un bâtiment sont négatifs, il n’y a plus vraiment d’intérêt à effectuer cette corrélation.

Mode opératoire

- parmi une population, il faut au moins neuf couples de résultats d’essai (Rc / VS), soit 3 prélèvements par gamme de vitesse (faible, moyenne et élevée) - l’interprétation n’est valable que pour une étendue de vitesse ayant permis d’établir la corrélation : c'est-à-dire l’étendue de vitesse sur laquelle toutes les Rc ont été réalisées. Ainsi il faut essayer de positionner un carottage sur l’élément ayant la vitesse moyenne la plus forte et un carottage sur l’élément ayant la vitesse la plus faible (hors valeurs aberrantes). - Pour des résultats significatifs l’étendue des mesures de vitesse doit être supérieure à 500 m/s. - il faut réaliser les carottages au droit des mesures de vitesse du son.

Corrélation selon la norme EN 13791 (septembre 2007) :

La norme NF EN 13791 « Evaluation de la résistance à la compression sur site des structures et des éléments préfabriqués en béton » (septembre 2007) donne les principes et les conseils pour l’établissement de relations entre les résultats de méthodes d’essai indirectes et la résistance de carottes sur site. Le paragraphe 8.3 de la norme décrit la procédure d’essai et de calcul. La méthode s’appuie sur une courbe de base donnée dans la norme, qui sera décalée d’un facteur dépendant des résultats d’essai à la compression et des vitesses mesurées.


- 47 -


Limites de cette méthode : Cette méthode n’est généralement pas applicable car elle n’est valable que pour des vitesses de propagation du son comprises entre 4000 et 4800 m/s, qui caractérisent des bétons de bonne qualité, ce qui n’est souvent pas le cas pour des bétons anciens, objets d’investigations au CEBTP.

Corrélation développée au CEBTP :

Le CEBTP utilise un modèle linéaire du type

ln( Rc ) = aV + b + ε Avec

Rc : résistance sur carotte V : vitesse mesurée in situ (km/s) a : coefficient directeur b : ordonnée à l’origine ε : erreur liée à la dispersion des résultats

Ce choix a été retenu suite à une étude statistique expérimentale CEBTP sur 200 éprouvettes. Régression linéaire : Les coefficients a et b se calculent de la façon suivante :

∑ (X N

b=

i =1

i

∑ (X N

i =1

Avec Avec

− X )(Yi − Y ) − X)

a = Y − bX

2

i

X et Y les valeurs moyennes des X i et des Yi . X i : vitesse du son calculée Yi : ln( Rc )

Pour que la régression soit significative, il faut vérifier l’inégalité suivante :

r 2 ( N − 2) 1−α  ≥ TN − 2   2 (1 − r )  2 

∑ (X

i

− X)

i

−Y )

N

Avec r : le coefficient de corrélation calculé comme suit : r = B

i =1 N

∑ (Y i =1

Avec

2

2

N : nombre de mesures

 1−α  TN − 2   : fractile de la loi de Student à 90 %  2  Si elle est significative, cette corrélation appliquée aux différentes vitesses permet de calculer une résistance estimée Re et un intervalle de confiance Ic (tributaire des paramètres statistiques, moyenne, variance et nombre d’observations) ; la résistance minimale estimée Rme correspondant à chaque vitesse étant égale à :


Rme = Re− Ic

- 48 -


2.4.4 Dépouillement pour les mesures en surface 2.4.4.1 Détermination de la vitesse et de l’incertitude Selon l’ancienne norme NFP 18-418 « Auscultation sonique » (décembre 1989), la détermination de la vitesse conventionnelle est exclusivement graphique. Il faut porter les différentes valeurs relevées dans un repère orthogonal ayant le temps en abscisse, exprimé en microsecondes et la distance en ordonnée exprimée en centimètres. Le béton est réputé homogène si aucun point ne s’écarte de cette droite de plus de 1 µs (parallèlement à l’axe des temps) ou de 0,5 cm (parallèlement à l’axe des distances). La vitesse est alors la pente de la droite passant par les 2 points les plus éloignés.

Point trop éloigné de la droite, à éliminer

Figure 2.4.2 : Dépouillement d'une mesure en surface avec le logiciel Auscult 32

Au CEBTP, la vitesse est calculée selon la méthode de régression linéaire, par l’ajustement des moindres carrés, pour obtenir une corrélation de la forme :

Yi = A + BX i + ε i Y : temps mesuré X : distance entre l’émetteur et le récepteur pour chaque mesure. Calcul de la vitesse et de l’incertitude : La vitesse et l’incertitude sont calculées selon les formules suivantes :

r2 V = A

δV =

r 2σ (ε i ) T λσ ( xi )  1−2α 

Avec : -

σ : l’écart type ; T(1-α/2) le fractile de la loi normale réduite (selon l’usage, on prend


- 49 -

α = 0,90 ).


2.4.4.2 Evaluation de l’épaisseur d’un bicouche Limites : Pour qu’un bicouche puisse être détecté et que sa profondeur soit déterminée, il est impératif que la couche supérieure soit de qualité moindre. La profondeur totale d’investigation se limite à 6-8 cm.

Principe sur lequel repose l’évaluation d’un bicouche : Trajet parcourue par l’onde ultrasonique Positions récepteur

Emetteur

du

Béton altéré Béton sain

Temps V1 V2 > V1

Béton altéré

Béton sain

Distance d0 : point de rupture de la pente

Méthode pour déterminer l’épaisseur de béton altéré : -

-

Le graphique ci-dessus est obtenu en représentant les temps mesurés à l’aide de l’AU 2000 en fonction des distances entre l’émetteur et le récepteur. Graphiquement on peut ainsi déterminer la distance d0, à laquelle a lieu le point de rupture de la pente. On effectue 2 régressions linéaires, la première pour toutes les mesures réalisées entre l’émetteur et la distance d0, et la seconde pour toutes les mesures réalisées entre la distance d0 et la mesure la plus éloignée. On obtiendra ainsi les équations des 2 droites représentant les domaines de propagation du son dans le béton altéré, puis dans le béton sain. Pour les 2 domaines on calcule la vitesse de propagation du son, selon la formule donnée précédemment. On peut calculer l’épaisseur de la couche de béton altérée par la formule :

e= Avec

d V2 − V1 2 V2 + V1

d : la distance du point de rupture de la pente


- 50 -


Comment est établie la formule du bicouche ?

La formule du bicouche s’établit simplement en considérant un trajet passant par la couche inférieure et traversant la couche supérieure avec un angle α. Emetteur

Récepteur

d

Couche 1 V1

α

α

e

Couche 2 V2

e/tg(α)

d-2 e/tg(α)

e/tg(α)

Trajet de l’onde ultra sonore dans le béton

Le temps de parcours de l’onde (schéma ci-dessus) entre l’émetteur et le récepteur s’exprime de la manière suivante :

t=

dis tan ce _ parcourue dis tan ce _ dans _ couche _ 1 dis tan ce _ dans _ couche _ 2 = + V V1 V2

Par application des règles de trigonométrie, on peut ainsi exprimer le temps de parcours en fonction de α et d :

t (d , α ) =

1 V2

 cos(α ) 2e d − 2e sin (α )  + V sin (α )   1

Le trajet le plus court est obtenu pour

dt 2e  1 cos(α )  = − =0 dα sin 2 (α ) V2 V1  à

On dérive simplement la fonction

t (d ,α ) par rapport

α

Le temps le plus court s’exprime donc en fonction de e par la relation

t (d ) =

2 2 d 2e V2 − V1 + V2 V1V2

Le point de contact des deux droites est obtenu pour

e=

t (d ) =

d V2 − V1 2 V2 + V1


- 51 -

d , d’où l’on tire la formule du bicouche V1


2.4.4.3 Evaluation de la profondeur d’une fissure

Propagation de avant la fissure

l’onde

Propagation de l’onde audelà de la fissure

Dt

Figure 2.4.3 : Principe d'évaluation de la profondeur d'un bi-couche

La courbe temps/distance admet une asymptote parallèle à la droite représentant la propagation dans le béton intact. On étudie tout d’abord la régression correspondant au béton intact en éliminant les points correspondant à la fissure et ensuite l’écart Dt qui permet d’estimer la profondeur selon la relation

h = V × ∆t


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2.4.5 Dans quels cas et comment utiliser l’auscultation sonique ? 2.4.5.1 Qualité physique du matériau : homogénéités/hétérogénéités du matériau La qualité physique du matériau est généralement évaluée en réalisant des mesures par transparence. Toutefois, la mesure en transparence est parfois rendue difficile voire impossible par les conditions d’accès aux éléments. On peut donc également utiliser les mesures en surface pour caractériser l’homogénéité du matériau. Cependant la qualité physique du matériau ne sera évaluée que sur une profondeur de 6 - 8 cm. Il est à noter que les résultats des mesures en surface et des mesures en transparence ne peuvent être comparées même si elles ont été effectuées sur le même élément. La vitesse du son trouvée en effectuant des mesures en surface est en effet d’un ordre de grandeur de 300 m/s plus faible que les mesures en transparence. Pour interpréter les résultats des tests décrits dans la partie dépouillement, il faut pouvoir prendre du recul et garder à l’esprit le but de la mission. Il faut distinguer différents niveau d’analyses, à savoir : -

un niveau d’analyse simple qui dans le cadre d’un diagnostic complet de la structure permet de dire si la qualité du béton est homogène un niveau d’analyse poussé en vue d’une corrélation vitesse du son / résistance à la compression dans le cas d’une mission exclusive d’auscultation sonique : comparaison de la qualité du béton d’éléments verticaux dans une structure à grande échelle.

2.4.5.1.1 Détermination de l’homogénéité du matériau béton

Analyse simple :

Un premier niveau d’analyse rapide consiste à relever, pour chaque maillage, la moyenne et l’écart type des mesures des vitesses de propagation. Les zones défectueuses se caractérisent soit par une vitesse faible, soit par un écart-type élevé. Les vitesses mesurées caractérisent la qualité du béton du point de vue de ses caractéristiques physiques (homogénéité, densité). D’après des expériences menées à l’ancien centre de recherche du CEBTP, on considère que des vitesses : > 4000 m/s représentent des bétons de bonne qualité, homogène 4000 > V > 3500 m/s : béton de qualité moyenne 3500 > V > 3000 m/s : béton de qualité médiocre < 3000 m/s : béton de mauvaise qualité. Concernant l’incertitude, si les conditions de mesures sont très bonnes (bon état de surface, pas de bruit environnant), l’incertitude varie généralement de 50 à 100 m/s, mais dans de mauvaises conditions, elle est supérieure à 300 m/s. Lors d’une analyse rapide, si les vitesses mesurées sur les divers éléments et les écarts types sont du même ordre de grandeur on peut estimer que la qualité du béton peut être comparable pour ces éléments. Si un élément a une vitesse moyenne faible et un écart-type élevé (exemple : vitesse de 2500 m/s et écart-type de 400 m/s) cela signifie qu’il est en mauvais état, probablement fissuré, ou bien ayant eu une mise en œuvre médiocre.


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Si des essais de compression sur carottes ont été effectués, sans application d’une corrélation résistance à la compression / vitesse du son, il faut tout de même veiller à ce que les résultats concordent avec les vitesses du son mesurées.

Analyse très complète :

Remarque importante : une analyse très complète est à priori uniquement pertinente pour des éléments verticaux. En effet, la qualité du béton est importante lorsque celui-ci est en compression (poteaux, voiles), mais n’a qu’une influence limitée pour les éléments horizontaux (poutres, dalles), pour lesquels le ferraillage est important. Afin d’avoir une bonne visualisation des résultats dans le cas d’un chantier ou de nombreuses zones et éléments ont été testés, il est intéressant de représenter le diagramme représentant l’incertitude ou écart-type en fonction de la vitesse. Exemple (diagramme ci-dessous) : La mission était d’effectuer des mesures d’auscultation ultrasonique sur un échantillonnage représentatif d’éléments de structures afin de vérifier l’homogénéité des bétons mis en œuvre. Le bâtiment est un lycée datant des années 70 qui allait être réhabilité. La structure est de taille importante et répétitive. Chaque point figurant sur le diagramme représente un élément (un poteau), sur lequel 10 mesures ont été prises. POTEAUX : DIAGRAMME VITESSE INCERTITUDE 300

250

écart type (m/s)

200

poteaux niveau 1

150

poteaux sous-sol

100

50

0 3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

vitesse (m/s)

Figure 2.4.4 : Diagramme vitesse incertitude

On détermine arbitrairement une incertitude « normale », visualisée sur le diagramme par un faisceau de fréquence importante (masque jaune clair). Les éléments présentant une incertitude élevée et situé en dehors de ce faisceau peuvent être considérés comme étant à risque.


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Interprétation de l’exemple : - les incertitudes (écarts type) moyennes sont comprises entre 50 et 150m/s, ce qui correspond à des bétons d’homogénéité médiocre. Les écarts type plus élevés sont expliqués soit par des accès difficiles, soit par des mesures localement différentes. - globalement, les poteaux du sous sol (moyenne 3867m/s) apparaissent comme d’une qualité meilleure que celle du niveau 1 (moyenne 3710m/s) et surtout l’amplitude des vitesses est moins grande (~600m/s pour N0 pour 1100m/s pour N1) ce qui indique une meilleure homogénéité globale.

La valeur de résistance caractéristique nominale Rn représentative de la qualité globale du béton peut être déterminée à partir de la relation statistique suivante :

Rn = Moyenne( Rme) − η × σ Rme Avec : h : fractile de la loi de Student pour un niveau de signification donné

σ Rme

: écart type des Rme

2.4.5.1.2 Exemple de recherche d’hétérogénéité du matériau Délimitation des zones de défauts de remplissage de prémurs par mesure en transparence 22 zones correspondant à une surface d’environ 1m par 1m avec une trentaine de mesures ont été mesurées. 8 carottages ont été effectués et des mesures ont été prises au droit de ces carottages pour étalonner les mesures, afin d’établir une comparaison entre les résultats obtenus et la qualité visuelle du remplissage du prémur. Une partie des résultats est donnée ci-dessous afin d’expliquer le dépouillement. prémur 1 1

2

prémur 2 3

60 cm

4

A

3922

2639 4202 3984

B

3906

3185 4184 4065

C

3937

3165 4082 4098

D

3968

3215 4065 4098

E

3861

2849 4149 4132

F

3817

2604 4065 4132

G

3861

2653 4098 4149

H

3861

1852 4167 4115

Parements intérieurs

10 cm

Prémur 2

4 3

2 1

10 cm 10 cm

Parements extérieurs (terrasse) Prémur 1 Figure 2.4.5 : Représentation schématique des prémurs

Commentaires pour cette zone de mesures : Mauvais remplissage du prémur 1 : Présence de vides sur toute la hauteur de la file 2 du prémur 1, c'est-à-dire sur (au moins) 105 cm de hauteur, ceci à 10 cm de l’angle du prémur. A 20 cm de l’angle, le remplissage de ce même prémur est de qualité moyenne. Remplissage de bonne qualité du prémur 2.


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Sur l’ensemble des mesures réalisées :

Incertitude (m/s)

Incertitude en fonction de la vitesse du son 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 3500

3600

3700

3800

3900

4000

zones présentant des défauts de remplissage

4100 4200 4300 Vitesse du son (m/s)

zones présentant un remplissage homogène et de bonne qualité

Figure 2.4.6 : Diagramme incertitude/vitesse du son pour l'ensemble des prémurs

7 zones (en bleu sur le graphique) présentent des vitesses moyennes relativement faibles associées à un écart-type important. Ces résultats traduisent des défauts de remplissage, d’autant plus étendus que la vitesse moyenne est faible. Un écart-type élevé est associé à un défaut de remplissage important (vide). 2.4.5.2 Qualité mécanique du matériau : corrélation VS- Rc La corrélation vitesse du son / résistance à la compression du béton s’appuie généralement sur des mesures en transparence. Les mesures en surface, du fait qu’elles ne caractérisent que les 8 premiers centimètres à partir de la surface ne sont pas conseillées pour cette application. Les conditions d’application de la norme EN 13791 (septembre 2007) sont très restrictives pour effectuer une corrélation (voir paragraphe 3.1.7) Ce type de mission peut être proposé au client afin de déterminer la résistance à la compression du béton d’un grand nombre d’éléments sans effectuer de trop nombreux carottages en vue de calculer la capacité portante de ces éléments. Il est important de connaître la résistance à la compression du béton pour les éléments comprimés. Une mission de ce type sur des dalles est insignifiante, car le paramètre important pour caractériser la capacité portante d’une dalle est le ferraillage. 2.4.5.3 Détection d’un bicouche : La superposition de 2 couches d’un matériau de qualité différente est appelé un bicouche. Limites : -

Pour qu’un bicouche puisse être détecté et que sa profondeur soit déterminée, il est impératif que la couche supérieure soit de qualité moindre L’épaisseur totale maximale de béton investigué est de 6-8 cm

On pourra ainsi déterminer l’épaisseur de la couche de béton altéré en surface. Cette altération pouvant notamment être due au gel du béton, à son altération par un incendie.


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2.4.5.4 Evaluation de la profondeur de fissures L’évaluation de la profondeur de fissures est souvent appliquée aux dalles, ou dallages afin de déterminer : -

si la fissuration est homogène sur l’ensemble de l’élément si la fissure est traversante ou non (risques d’infiltration d’eau et d’humidité à l’intérieur d’un bâtiment par exemple). afin de mieux définir les réparations à effectuer. En fonction des profondeurs, le type et le coût des réparations peut varier de manière importante.

Limites de cette évaluation : -

-

Il ne s’agit pas d’une mesure à l’aide d’une jauge de profondeur ; on extrapole avec une certaine erreur la profondeur de la fissure à partir du temps de propagation du son dans le matériau. Une fissure n’est jamais rectiligne mais irrégulière et son ouverture varie, c’est pourquoi cette méthode nous permet uniquement d’obtenir une estimation de la profondeur de la fissure (à 1-2 cm près) On est toujours limité dans la profondeur d’évaluation d’environ 8 cm pour les mesures en surfaces. Si la fissure est colmatée avec de la calcite par exemple, on ne peut pas déterminer la profondeur de la fissure. Le matériau de colmatage dans la fissure véhicule l’onde ultrasonique, qui n’est plus obligée de « contourner » la fissure.

2.4.6 Conclusion sur l’utilisation de l’auscultation ultrasonique Comme toutes les techniques de mesure, l’auscultation ultrasonique a ses limites. Celles-ci s’ajoutent à toutes celles qui ont déjà été citées dans les paragraphes précédents : •

L’accès souvent difficile aux structures pour effectuer des mesures constitue la première limite à l’utilisation de cette méthode non destructive. En effet - les revêtements ou enduits - un habillage de briques - les dispositions pour la protection au feu : le plâtre - les faux plafonds sont des éléments empêchant d’effectuer des mesures. De plus cette technique nécessite que l’opérateur soit installé confortablement, c'est-à-dire qu’il puisse exercer une pression suffisante sur les transducteurs et de manière similaire pour toutes les mesures, afin que celles-ci ne soient pas faussées.

• •

Le bruit, dont l’influence n’est pas encore formalisée, influence également les mesures de vitesse du son. Tous les matériaux ne peuvent pas être auscultés à l’aide de mesures de vitesses du son, à savoir : - les bétons légers (trop d’air occlus ?) - les bétons fibrés - les bétons « hautes performances », où l’homogénéité n’est plus un facteur déterminant de la qualité du béton.


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3 Objectifs du diagnostic Après avoir identifié l’origine des désordres, évaluer leur étendue dans l’espace, et avoir prédit leur évolution probable, dans l’espace et dans le temps en l’absence d’intervention, le diagnostic permet : -

D’estimer les conséquences des désordres sur la portance et la sécurité de l’ouvrage et des personnes De détecter des produits nocifs éventuellement présents De définir les suites à donner et le principe des solutions de réparations envisageables

Il est à noter que des réparations sont envisageables même lorsque les désordres affectant la structure sont limitées du à des considérations d’ordre esthétique et suivant la volonté du client. D’autre part, même si la structure est apparemment en bon état, le renforcement de la structure pour adapter son état de service à de nouveaux besoins (modification du chargement de la structure) nécessite également l’établissement d’un diagnostic. Dans cette partie nous aborderons le calcul de la capacité portante d’une structure au travers d’un exemple et étudierons principalement les hypothèses de calcul qui ont été prises. Puis, nous aborderons le thème du renforcement de structures par l’exemple de la rédaction d’un dossier de consultation d’entreprises suite à l’élaboration d’un diagnostic de châteaux d’eau.

3.1 Détermination de la capacité portante d’une structure Il est à noter qu’il n’existe pas de règles nationales françaises pour l’évaluation des ouvrages existants et les règles de calcul du Béton Armé ne sont pas directement applicables au recalcul d’une structure ancienne. Il est possible de procéder à certaines adaptations. Une réflexion s’impose donc et l’on doit valider les hypothèses du recalcul, la modélisation de la structure ainsi que les résultats obtenus. Cette réflexion que nous avons eue lors du calcul de la capacité portante d’un plancher est exposée dans ce paragraphe : « Affaire Lucas Perches : calcul de capacité portante d’un plancher ».

3.1.1 Mission du CEBTP : Le bâtiment, objet de l’étude, est une ancienne fromagerie exploitée antérieurement par Danone. Actuellement, un bâtiment a été repris par la Société LUCAS PERCHES pour étudier l’élevage de er poissons. Des bacs d’élevage sont situés au 1 étage. Et la société LUCAS PERCHES souhaite ème mettre en place des bacs tampons au 2 étage de ce bâtiment.


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Diagnostic de structures existantes ème

Ci-dessous un schéma de la structure du plancher du 2

étage : Poutres simples allèges

Dalle

Le souhait du client est de mettre en place 40 cm d’eau (suivant les dispositions schématisées cidessus) dans les caissons formés naturellement par les poutres allèges. Le client ne souhaite pas la réalisation d’un diagnostic qui aurait pourtant permis de déterminer l’état de la structure, de même que l’enrobage réel des armatures. Le but de notre mission est de déterminer l’aptitude du plancher à supporter le poids supplémentaire apporté par l’eau en s’appuyant uniquement sur les plans de ferraillage et sur un essai sclérométrique.

3.1.2 Hypothèses prises pour le calcul : 3.1.2.1 Choix du code de calcul Les plans de ferraillage en notre possession datent de 1964. Le code de calcul utilisé à l’époque est donc le BA 60. La première des décisions à prendre est le choix du règlement que l’on va suivre pour la vérification, le code actuel ou celui de l’époque de construction. Au sein du CEBTP et de la loi française en général, les avis divergent. Selon certains le calcul de vérification de capacité portante doit être effectué selon le règlement en vigueur, mais d’autres conseillent d’utiliser le règlement de l’époque sans quoi la structure risque d’être sous-dimensionnée. Toutefois, un expert au CEBTP nous a expliqué qu’en ce qui concerne les sections d’armatures nécessaires, les différences entre les divers codes sont relativement faibles, et qu’elles concernent principalement les dispositions constructives devenues plus sévères avec le temps. C’est pourquoi il a été décidé de réaliser le calcul de vérification au BAEL 91 (révisé 99). 3.1.2.2 Résistance en compression du béton Des essais sclérométriques sur les éléments en béton armé ont été effectués début 2009 par l’entreprise Sigma Béton. Le scléromètre est un appareil permettant de mesurer la dureté du béton par la projection d’une bille à sa surface. Sur l’appareil, figure un abaque permettant le calcul de la résistance du béton à partir de l’indice sclérométrique. Il donne des indications uniquement sur le béton en surface et non à cœur. Les mesures réalisées sur un béton ancien peuvent être ainsi faussées si le béton est Figure 3.1.1 : Mesure au scléromètre


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carbonaté. En effet, un béton carbonaté en surface augmente la compacité superficielle et donc la résistance à la compression déterminée par l’essai sclérométrique. Les valeurs de résistance à la compression les plus faibles trouvées sont de 20 MPa (il faut effectuer 9 mesures pour calculer une moyenne). Afin d’aller dans le sens de la sécurité la valeur la plus faible a été retenue pour le calcul, d’autant que la structure est ancienne et que les mesures sont probablement surestimées. Il est à noter que les éléments (dalle et poutre) dont la capacité portante sera calculée ne sont pas comprimés mais uniquement soumis à la flexion simple. La valeur de la résistance à la compression n’a alors pas beaucoup d’influence sur les résultats. 3.1.2.3 Limite d’élasticité de l’acier Les aciers longitudinaux en place dans la dalle et les poutres sont représentés par la lettre N sur les plans de ferraillage. Il s’agit d’acier à haute adhérence Nervuré Nersid dont la limite d’élasticité est : 420 #$ %&'( Φ ) 16 ,, 400 #$ %&'( Φ - 20 ,, 3.1.2.4 Enrobage L’enrobage des aciers n’est pas indiqué sur les plans de ferraillage. Nous nous sommes donc référés au CCBA 60 afin de connaître quelles étaient les exigences de ce code. Selon l’article 2,312, en milieu non agressif, pour les parements exposés aux intempéries ou susceptibles de l’être aux condensations ou eu égard à la destination des ouvrages au contact d’un liquide, la distance d’enrobage est prise égale à 2 cm. 3.1.2.5 Fissuration Le calcul est mené pour un type de fissuration peu préjudiciable car le milieu est peu agressif et les éléments se situent en intérieur de bâtiment.

3.1.3 Calcul de la dalle : La dalle est une dalle continue (présence de chapeaux au droit des appuis) constituée de 6 travées. La première hypothèse à fixer est le mode de portée de la dalle, c'est-à-dire si elle porte dans un ou 2 sens. Les 2 dernières travées ont un rapport

./ .0

) 0,4, ce qui signifie qu’elles ne peuvent être assimilées à

une poutre et qu’elles doivent être calculés comme une dalle reposant sur 4 côtés. Toutefois la dalle n’est ferraillée que dans un sens (pas d’armatures de répartition). La dalle sera donc assimilée à une poutre continue sur 7 appuis et les calculs seront effectuer pour 1 m de largeur. 3.1.3.1 Calcul des moments sur appui et en travée er

Le 1 choix a été de modéliser cette poutre continue de 1 m de large à l’aide du logiciel RDM 6. Ce logiciel est un logiciel de résistance des matériaux purs et ne prend par exemple pas en compte la réduction des moments sur appuis. Aussi avons-nous appliqué une méthode de calcul proposée par le BAEL : la méthode de Caquot. Comme le plancher est un plancher à faibles surcharges, nous pourrions théoriquement utiliser la méthode forfaitaire, mais l’article …… du BAEL 91 précise certaines restrictions à l’utilisation de la méthode forfaitaire ; le rapport des portées d’une travée à l’autre doit être compris entre 0,8 et 1,2. La dalle ne respecte pas cette condition, c’est pourquoi nous avons calculé les moments sur appuis suivant la « méthode de Caquot ».


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Les moments sur appui se calculent donc suivant la formule suivante : # Avec

4 % 34 %2 32 4 34 8,5 7 32

4 832 , 34 9 3 si la travée est simplement posée sur l’appui 4 832 , 34 9 0,8 7 3 si la travée est continue au delà de l’appui

Les moments en travée sont calculés comme suit : #:;< # Avec

#= #> ?#= #> ? 2 16 7 #

# : moment isostatique

3.1.3.2 Vérification de la capacité portante 2 méthodes de vérification de la capacité portante sont envisageables : -

A partir des moments sollicitant on détermine la section d’acier nécessaire et on la compare à la section d’acier en place On calcule le moment résistant à partir de la section d’acier en place et on le compare au moment sollicitant

Nous avons vérifié si #> @ #A .

3.1.4 Calcul des poutres simples : Les 7 poutres simples sont ferraillées identiquement. Nous effectuons donc le calcul de vérification pour la poutre la plus sollicitée, en prenant comme condition d’appui, des appuis simples. Le calcul a été mené de la même manière que pour la dalle. Il est à noter que les sections d’armatures comprimées (à mi-hauteur et en partie supérieure de la poutre) n’ont pas été prises en compte : elles sont considérées comme des armatures de montage dans ce cas de flexion simple.

3.1.5 Conclusion : La dalle ainsi que la poutre simple calculée (207) ne peuvent théoriquement pas supporter le poids propre du plancher. D’après ces résultats il n’est pas envisageable de mettre en place des bacs « tampons » sur ce plancher, et toute charge actuellement positionnée sur ce plancher doit être immédiatement retirée. Ceci confirme la note figurant dans le cartouche du plan de ferraillage de la dalle : « Plancher sans surcharges ». Dans cette affaire, l’évaluation de la capacité portante a montré qu’en l’état actuel du chargement, la structure permet de garantir la sécurité des utilisateurs. En l’absence de données concernant l’état visuel du plancher et la présence ou non de désordres, aucune réparation n’est préconisée. Mais en général, le calcul de la capacité portante permet de définir les zones déficitaires qui sont à renforcer dues aux désordres affectant ces éléments ou en prévision d’un supplément de charges qui sera appliqué à la structure. Le paragraphe suivant est consacré à l’étude des réparations au travers d’un exemple.


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3.2 Réparation de la structure La définition des principes de réparation nécessite la réalisation préalable d’un bon diagnostic. Les réparations à mettre en œuvre dépendent de l’origine des désordres. Une fissure ayant pour origine la corrosion des armatures doit être traitée différemment d’une fissure de flexion par exemple. « Toute réparation sans un diagnostic préalable ou issue d’un diagnostic erroné est vouée à l’échec » En effet, si l’origine des désordres n’est pas traitée, ceux-ci réapparaîtrons rapidement après la réparation et la structure n’est pas assainie. Le CEBTP effectue les diagnostics sur les structures et donne des indications concernant les principes de confortement de l’ouvrage, mais peut aussi assister les clients (rôle de maîtrise d’œuvre) lorsque celui-ci effectue les travaux de réparations s’appuyant sur le diagnostic. C’est dans le cadre d’une mission de maîtrise d’œuvre que j’ai rédigé le dossier de consultation des entreprises, dont des extraits sont donnés dans l’Annexe 4 pour les travaux de réparations de 2 châteaux d’eau. Ce travail est présenté dans cette partie et m’a permis d’aborder les techniques de réparation.

3.2.1 Qu’est ce que la mission de Maîtrise d’œuvre ? La mission de maîtrise d’œuvre consiste à assister le Maître d’ouvrage dans les différentes phases d’exécution d’un projet. Dans le cas particulier de la réfection de structures, la première phase est l’établissement d’un diagnostic de la structure afin de déterminer les zones à réparer ainsi que les solutions de confortement les plus adaptées à mettre en place. Une fois le programme de réfection défini en accord avec le Maître d’ouvrage, il s’agit d’assister celuici pour la passation des contrats de travaux en préparant le dossier de consultation des entreprises et d’aider le maître d’ouvrage dans l’attribution des marchés. Le dossier de consultation des entreprises comprend les pièces suivantes : -

un Cahier des Clauses Administratives Particulières (CCAP) un Cahier des Clauses Techniques Particulières (CCTP) un Bordereau des Prix Unitaires (BPU) un Détail Estimatif (DE)

Une fois l’entreprise qui va exécuter les travaux choisie, la maîtrise d’œuvre a un rôle de vérification et de suivi de l’exécution des travaux à effectuer et de diriger les réunions hebdomadaires de chantier. A la fin des travaux, la maîtrise d’œuvre assistera le maître d’ouvrage pour la réception des travaux.

3.2.2 Mission confiée Le diagnostic de 2 châteaux d’eau (situé sur les communes de Mertzwiller et Nehwiller) a été effectué par l’entreprise CEBTP en novembre 2008 pour le compte du syndicat public des eaux de Reichshoffen (67) dans le cadre d’une campagne de rénovation de ses réservoirs.


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Figure 3.2.1 : Château d'eau de Mertzwiller

Figure 3.2.2 : Château d'eau de Nehwiller

Ce diagnostic a permis de relever les désordres types affectant l’extérieur des 2 châteaux d’eau, ainsi que de déterminer l’état des parements intérieurs de la cuve du château d’eau de Nehwiller. A partir de ces observations un avis sur les principes d’entretien d’entretien et de réparation a été donné. Suite à ce diagnostic, le maître d’ouvrage a demandé au au CEBTP de fournir une estimation financière fina des travaux de réfection et a mandaté le CEBTP pour une mission de maîtrise d’œuvre.

3.2.3 Descriptions des travaux 3.2.3.1 Rappel des désordres affectant les structures Château d’eau de Mertzwiller : - Les défauts observés sur ur les structures porteuses (poteaux et cerces de contreventement) en béton armé sont caractéristiques de la corrosion : décollements de béton, fissuration au droit des armatures, armatures corrodées apparentes de façon localisée sans perte importante de section. Enrobage insuffisant, mais de 1 cm au minimum. - Décollement du revêtement extérieur sur la cuve. Château d’eau au de Nehwiller-près-Woerth Nehwiller : - A l’intérieur de la cuve : le revêtement d’étanchéité est détérioré (cloques, perforations), les tuyauteries sont corrodées et sur le dôme de la cuve on observe des armatures apparentes corrodées. On observe des auréoles au sommet du parement probablement du à un défaut d’étanchéité du dôme. - Extérieur de la cuve : trace de calcite, décollement du crépi et dépôt verdâtre. Les fûts des châteaux d’eau ne font fon pas l’objet de réparations. 3.2.3.2 Choix des Techniques de réparation Ce paragraphe décrit premièrement les techniques de confortement à appliquer à la structure porteuse du château d’eau de Mertzwiller atteint de désordres dus à la corrosion, puis dans un second temps les réparations de l’intérieur de la cuve du château d’eau d’e de Nehwiller. Toutes les zones dégradées, comprennent tous les parements douteux, tel un décollement de béton, un gonflement, éclat, fissuration ainsi que l’ensemble des armatures oxydées même invisibles doivent être purgées.


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Traitement des armatures corrodées : Tous les aciers doivent être traités et passivés sur la longueur totale des aciers corrodés et une zone de sécurité de 50 cm de part et d’autre, avec : -

Repiquage du béton au droit des armatures par burinage avec dégagement des aciers dans leur totalité lors de la présence de rouille. Sablage pour élimination de la rouille sur les armatures sur toutes les faces La longueur ainsi définie doit être dégagée sur toute la périphérie : dégagement de 2 cm derrière l’armature.

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Dépoussiérage des structures avec saturation d’eau du support pour une bonne adhérence Passivation efficace des armatures (y compris la face cachée)

Les fissures dues à la corrosion doivent être traitées identiquement, à savoir dégagement du béton jusqu’à l’armature et traitement des armatures corrodées. Lorsque les armatures accusent une perte de section importante, il faut renforcer le ferraillage en mettant en place des aciers supplémentaires. Dans le cas de la structure porteuse du château d’eau les armatures sont corrodées mais pas foisonnantes et les armatures concernées sont des cadres. Aucune section d’armatures supplémentaire ne sera donc mise en place. Après avoir traité les armatures il faut reconstituer le béton d’enrobage. Reconstitution du béton Il existe principalement 2 techniques de reconstitution du béton : mise en place d’un mortier de fibre prêt à l’emploi, soit de manière traditionnelle à la taloche, soit par projection. La méthode par projection est réservée aux surfaces planes importantes, on utilisera donc la technique traditionnelle. La difficulté concernant la reconstitution du béton d’enrobage ne réside donc pas dans la méthode mais concerne la surface de béton à reprendre. En effet les investigations pachométriques effectuées au cours du diagnostic montrent que l’enrobage minimal des cadres (sur les poteaux et anneaux de contreventement) est de 5 mm au minimum, mais qu’en moyenne l’enrobage est d’environ 20 mm. Or selon le BAEL 89 (révisé 91), l’enrobage minimal des armatures doit être de 3 cm. Faut-il donc reconstituer une couche de béton afin d ‘atteindre la valeur d’enrobage minimale réglementaire sur l’ensemble de la structure porteuse ? Cette solution est impossible à mettre en œuvre car le poids qui serait rajouté à la structure serait trop important et l’on ne sait pas si les fondations et le sol sont capables de reprendre une charge supplémentaire. De plus les mesures de potentiel effectuées montrent que les aciers qui ne sont pas apparents et corrodés présentent une très faible probabilité de développement de la corrosion. De même des tests de carbonatation ont été réalisés et ont montré que la profondeur de carbonatation du béton est au maximum de 1 cm. La profondeur maximale de carbonatation est inférieure à l’enrobage moyen des armatures. La reconstitution du béton d’enrobage se fera donc uniquement dans les zones repiquées. On choisit une valeur arbitraire de 20 mm de béton d’enrobage à mettre en place. Si l’on mettait 30 mm d’enrobage, on observerait un manque de planéité entre les zones repiquées et les zones qui étaient « saines ». De plus les armatures ont en plus du béton d’enrobage la protection du produit de passivation appliqué. On finira par appliquer un revêtement coloré pour la protection du béton contre les agressions atmosphériques.


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Réparation de l’intérieur de la cuve du château d’eau de Nehwiller Au cours du diagnostic il a été constaté que l’étanchéité existante avait une adhérence nulle au support et était détérioré. Il faut donc remplacer le revêtement dans son intégralité. Pour cela on dépose l’étanchéité existante par un décapage par jet ultra-haute pression ou hydrosablage ou sablage à sec. Lorsque plusieurs méthodes sont proposées dans le CCTP, le choix est laissé à l’entrepreneur. Il faut ensuite asséchée le béton mis à nu. Cette étape est indispensable afin de décharger les contre-pressions liées à l’eau enfermée dans le béton. Une fois ces étapes terminées, l’entrepreneur devra alerter la maîtrise d’œuvre afin de faire le point sur l’état du béton qui était caché par le revêtement d’étanchéité. En effet, lors du diagnostic il n’a pas été possible d’effectuer de sondage destructif sur l’étanchéité puisque le château d’eau a du être remis en service à la fin du diagnostic. On ne sait pas si le parement intérieur du béton de la cuve est affecté de désordres. Une fois les désordres réparés, s’il y en avaient, on met en place la nouvelle étanchéité. Nous avons laissé le choix à l’entrepreneur entre 2 systèmes d’étanchéité : -

Un système classique à base de résine armée Une membrane d’étanchéité désolidarisée

L’entrepreneur devra justifier son choix. L’application de la membrane d’étanchéité désolidarisée ne nécessite pas que l’ancien revêtement d’étanchéité soit déposé, mais dans notre cas comme nous voulons vérifier l’état du béton sous le revêtement existant, ceci ne constitue pas un avantage par rapport au système classique. Par ailleurs ces membranes sont très fragiles. Enfin lorsque le nouveau système d’étanchéité sera en place, l’entrepreneur devra effectuer un test d’étanchéité par une mise en eau avant la remise en service de la cuve. 3.2.3.3 Estimation des quantités Le bordereau des prix unitaires fait partie du dossier de consultation des entreprises sur lequel les entrepreneurs indiquent le prix unitaire des prestations, par exemple le prix par mètre linéaire de la reprise des armatures corrodées. Les quantités totales sont indiquées par la maîtrise d’œuvre. La réalisation de ce document a constitué un point critique. En effet, le diagnostic réalisé sur les châteaux d’eau avait pour but de qualifier le type de désordres observés mais pas de les quantifiés. De plus l’intervention avec une nacelle n’a pas permis d’accéder de près à certaines parties de la structure pour y effectuer des mesures. De même aucun relevé de l’emplacement et de l’étendue des désordres n’a été réalisé. Ce problème est récurrent lors de la réalisation de missions de maîtrise d’œuvre. Afin de décrocher le marché on propose au client un diagnostic allégé pour déterminer l’origine probable des désordres mais sans les qualifier. Lors de l’étude des quantités à réparer, on ne peut que les estimées et l’on ne peut pas transmettre à l’entrepreneur une quantité précise du travail à effectuer. Celui-ci gonflera alors ses prix afin de ne pas avoir de quantité plus importante de matériaux de réparations à mettre en œuvre que celle prévue dans son prix. D’autre part si l’on ne connaît pas les quantités exactes des réparations, on demande à l’entrepreneur de donner un prix forfaitaire et non unitaire. Mais cela va rendre difficile la comparaison des offres des différentes entreprises. On remarque donc que la réalisation d’un diagnostic complet et comprenant la qualification ainsi que la quantification des désordres est très importante pour la phase de réparation des structures.


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Conclusion Nous avons vu que l’établissement d’un diagnostic se faisait en plusieurs étapes. La détermination des investigations à mener sur la structure est basée sur l’étude préalable des documents et une visite préliminaire de l’ouvrage. On effectue ensuite une inspection détaillée de l’ouvrage au cours de laquelle est réalisé un relevé des désordres. Ceux-ci sont qualifiés et quantifiés dans la mesure du possible à l’aide d’appareils d’auscultation et/ou d’analyses en laboratoire. Ces techniques d’auscultation sont à adaptées en fonction du type de désordres affectant la structure. On retiendra que les investigations pachométriques permettent de déterminer l’enrobage des armatures ainsi que la position et le diamètre de celles-ci. En confrontant les résultats obtenus avec des mesures de carbonatation à la phénophtaléine on peut déterminer le pourcentage d’armatures potentiellement affectées par la corrosion. L’origine des désordres chimiques ou des réactions de gonflement du béton peut être déterminée par des analyses chimiques ou microstructurales après avoir vérifié que les désordres ne sont ni dus à la corrosion, ni au fonctionnement mécanique de la structure. L’appareil d’auscultation ultrasonique, développé au CEBTP, s’utilise généralement en complément d’autres moyens d’investigations et permet de qualifier l’homogénéité ou l’hétérogénéité du béton ainsi que de déterminer l’épaisseur d’une couche de béton altéré ou la profondeur d’une fissure. En effectuant une corrélation entre les vitesses du son et la résistance à la compression sur carotte, cette technique permet également de caractériser la qualité mécanique du béton. Nous avons pu constater que l’interprétation des résultats obtenus par cette méthode n’est pas évidente. L’analyse des affaires traitées nous a permis de mettre en évidence le fait que toutes les techniques d’auscultation ont leurs limites. Ainsi avant de choisir une méthode d’auscultation il faut s’interroger : va-t-elle nous fournir les renseignements recherchés et avec quelle précision ? Nous avons également montré que lors de la détermination de l’origine probable des désordres les résultats des investigations sont toujours à nuancer selon la précision de la méthode, les limites des appareils utilisés et les hypothèses qui ont été prises. Au travers des exemples de calcul de capacité portante et de réparation de structures présentés dans la dernière partie, nous avons pu établir l’importance de la réalisation d’un diagnostic complet pour ces 2 types d’études. Celui-ci permet de pérenniser l’ouvrage par la réalisation de travaux à moindre coût. On aura ainsi montré que la réalisation d’un diagnostic est indispensable à la bonne maintenance des ouvrages. Différentes techniques d’auscultation ont été abordées avec leurs limites et leur utilisation selon les désordres observés. Cependant chaque ouvrage possède ses propres caractéristiques et le diagnostic doit être adapté à chacun d’eux. Plus généralement, la réalisation de mon PFE au sein de l’entreprise GINGER CEBTP m’a permis de découvrir un aspect peu connu du métier d’ingénieur civil. L’auscultation de structures exige une très bonne connaissance des matériaux ainsi que du fonctionnement des structures et des diverses techniques de construction et nécessite d’avoir beaucoup d’expérience pour la détermination de l’origine des désordres.


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Bibliographie [1] Annales de l’ITBTP - Recommandation de la RILEM « Les essais sur béton par la méthode de l’auscultation dynamique », N°309-310 [2] Mamilan M., Bouineau A. (1980) « Nouvelles applications des mesures de vitesse du son aux matériaux de construction », Annales de l’ITBTP n°3 82, avril 1980 [3] Mamilan M., (1971) « Perfectionnement des méthodes d’essais par auscultation dynamique », Annales de l’ITBTP Supplément au n°282, juin 1971 [4] Bouineau A., Vié D., Paquet J. (Octobre 1991) « Auscultation ultra sonique », Support de conférence pour un stage de formation interne [5] Pasquignon M. (2000) « L’auscultation ultra sonique appliquée au diagnostic des structures en béton - Approche commerciale et technique » [6] Presses de l’Ecole des ponts et Chaussées « Méthodologie d’évaluation non destructive de l’état d’altération des ouvrages en béton. » 2005 [7] Taché G. (2008) « Détermination de la vitesse de propagation du son dans le béton », Notice explicative d’avril 2008 » [8] Documentation du CEBTP « Mesures d’auscultation ultra-sonique » [9] Plaquette CEBTP « Dossier technique Ausculteur sonique AU 2000 : mesure de la vitesse du son dans les matériaux » [10] Mamilan M., Bouineau A., « Contrôle par la mesure de la vitesse de propagation du son de l’homogénéité du béton » [11] Vié D., Procédure d’essai CEBTP « Auscultation ultra-sonique, Mesures sur ouvrages en béton » [12] Institut de normalisation française, mai 2005, « Norme NF EN 12504-4 – Essais pour béton dans les structures partie 4. Détermination de la vitesse de propagation du son » [13] Institut de normalisation française, septembre 2007, « Norme NF EN 13791 – Evaluation de la résistance à la compression sur site des structures et des éléments préfabriqués en béton » [14] Institut de normalisation française, décembre 1989, « Norme NF P 18-418 : Auscultation sonique » [15] B.A.E.L. 1989 révisé 1991


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Mémoire de PFE

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