Rupture expérimentale d’une poutre de pont en béton précontraint

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Dans le cadre d’un projet de recherche en partenariat avec l’IFSTTAR et l’ASFA, le Cerema a réalisé le 30 octobre 2014, un essai à la rupture en flexion d’une poutre en béton précontraint.

Le Cerema a monté un projet expérimental autour d’une poutre de pont en béton précontraint récupérée en 2002 lors de la démolition du pont de la RN83 franchissant le Doubs sur la commune de Clerval.

Ce projet a été conçu de manière à contribuer à :

l’amélioration des techniques et matériels d’auscultation, des méthodes d’interprétation, des outils de modélisation et de calcul des « Viaducs à travées Indépendantes à Poutres préfabriquées Précontraintes » (VIPP), essentielle pour mener à bien une réévaluation pertinente de leurs performances,
la meilleure connaissance du fonctionnement mécanique des structures renforcées par matériaux composites collés en proposant des méthodes de justification adaptées.

Il a fait l’objet d’une convention de partenariat entre l’ASFA (Association des Sociétés Françaises d’Autoroutes), le Cerema et l’IFSTTAR (l’Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux).

En novembre 2013, le Cerema a fait exécuter sur le site du Département Laboratoire d’Autun une plateforme de chargement de 35 m de longueur et de 2 m de largeur, dimensionnée pour un effort de 300 tonnes à l’État Limite de Service (ELS).

Mi-avril 2014, la poutre a été transportée depuis le site de Margenne à proximité d’Autun sur la plateforme de chargement, afin de la soumettre à des essais de chargement en flexion 3 points instrumentés (plus de 200 capteurs).

Trois séries d’essais ont été réalisées :
une première série d’essais « de fissuration » avant renforcement (semaine 35 de 2014),
une seconde série d’essais « de fissuration » après une première phase de renforcement par matériaux composites collés (semaine 39),
une troisième série d’essais « de fissuration » après une seconde et dernière phase de renforcement par matériaux composites collés (semaine 43).

Cet ultime essai a été mené progressivement jusqu’à rupture complète de la poutre le 30 octobre 2014.

Cette première expérience inédite sur une poutre VIPP renforcée par matériaux composites permet de délivrer quelques enseignements et éléments "remarquables" :

la véritable rupture de la poutre a eu lieu pour un effort d’environ 61 tonnes, correspondant à une flèche (déplacement transversal d’un point de la fibre moyenne d’une poutre droite sous l’action des charges qui la sollicitent) d’environ 20 cm. Par la suite, l’effort mobilisé pour le chargement n’a cessé de décroître.
la rupture complète par délamination des renforts composites collés (qui ont donc accompagné la poutre jusqu’à l’effort maximal de chargement), a eu lieu pour un effort d’environ 59 tonnes, correspondant à une flèche d’environ 27 cm.
la rupture complète en flexion en section S2 (fissuration remontant dans la table supérieure à quelques centimètres seulement de la fibre supérieure) a été obtenue pour une déformation imposée de plus de 40 cm.

Les contraintes maximales qui ont pu être enregistrées dans les matériaux sont des ordres de grandeur suivants :

surcompression du béton (par rapport à l’état initial) : plus de 65 MPa enregistrés par les fibres optiques (plus de 45 MPa enregistrés par les jauges de déformation locales) ;
surtension des câbles de précontrainte (par rapport à l’état initial) : plus de 600 MPa enregistrés par les jauges de déformation locales ;
contraintes de traction des renforts composites (mesurées aux interfaces de collage) : plus de 900 MPa enregistrés par les fibres optiques (plus de 750 MPa enregistrés par les jauges de déformation locales).

Pour information, le dossier technique du procédé de renforcement utilisé fixe la contrainte limite de traction du composite pour le calcul à l’ELS à 500 MPa.

Une nouvelle expérimentation a été réalisée en 2016 sur les deux demi-poutres renforcées par matériaux composites (résistance à l’effort tranchant et équilibre du coin).