09 Janvier 2019  |  Génie civil
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 10/2018

Corsetage des ponts métalliques patrimoniaux

En les consolidant avec des plaques de fibres de carbone, une équipe de l’Empa sauve des ponts ferroviaires du XIXe siècle menacés de ruine. Un pont ferroviaire en Suisse et un pont routier australien ont déjà été renforcés de la sorte. Beaucoup d’autres pourraient suivre. L’un des partenaires de l’équipe est un spécialiste de la fatigue de l’acier à l’EPFL.

Faire durer plutôt que s’en débarrasser! Cela ne vaut pas que pour les villas Art Nouveau, les voitures d’avant-guerre ou les orgues Hammond des années cinquante. Faire durer plutôt que jeter à la ferraille est aussi une bonne idée pour les anciens ponts ferroviaires ou routiers. Les monuments industriels, souvent conçus et calculés par des ingénieurs en construction métallique du XIXe siècle, se font doucement manger par la rouille ou leurs articulations craquent sous les convois Intercity et les poids lourds.
La bonne nouvelle, c’est qu’on peut les sauver en les corsetant de plaques de polymères renforcés par des fibres de carbone (PRFC), une technique qui respecte les exigences de la protection des monuments et qui est parfaitement réversible. Ainsi consolidés, ces ouvrages retrouvent toute leur résistance et assurent jour après jour leur fonction.
 
Le pont de Diamond Creek près de Melboune a été renforcé avec des bandes de PRFC en 2018 et sa durabilité a été testée avec un semiremorque de 42 t après les travaux.
 
 
Une méthode douce pour les constructions anciennes
Masoud Motavalli et Elyas Ghafoori ont déjà consolidé deux anciens ponts par cette méthode douce: le pont ferroviaire de Münchenstein près de Bâle, datant de 1892 et le pont routier de Diamond-Creek en Australie, datant de 1896. Si leur système reçoit un bon accueil au niveau mondial, le travail ne manquera pas. En Europe, près de 30 % des ponts sont plus que centenaires. Il est de même aux États-Unis, en Australie et au Japon. Partout, les autorités et les compagnies de chemins de fer cherchent à les maintenir opérationnels.
La solution se trouve peut-être à l’Empa. Ce laboratoire a pour partenaire de recherche Alain Nussbaumer qui, à l’EPFL, étudie la fatigue et la rupture de structures en acier. Ce spécialiste dirige également à l’Empa, plusieurs travaux de doctorat en cours sur ce sujet.
Les polymères renforcés par des fibres de carbone (PRFC) s’imposent souvent comme la solution idoine à ce type de problèmes. Ils résistent à la corrosion et ne sont pas sujets à la fatigue. Étant légers, ils ne surchargent pas l’ouvrage, comme le font les pièces de renforcement en acier. Dans les années 1990, sous la direction de son ancien directeur, Urs Meier, l’Empa a acquis une riche expérience dans le renforcement des constructions en bois et en béton au moyen de PRFC.
 
Une ancre au lieu de colle
Toutefois, alors qu’il est simple de coller des plaques de PRFC sur des structures en bois ou en béton, c’est plus difficile avec des éléments porteurs en acier. Ceux-ci sont fréquemment rouillés ou couverts d’épaisses couches de peinture, sans compter les rivets qui viennent compliquer la tâche. Elyas Ghafoori contourne le problème en ne cherchant pas à coller les plaques sur les éléments de l’ouvrage, mais en les y ancrant, ce qui économise le ponçage d’importantes surfaces. En outre, l’ouvrage peut rester en service durant les travaux. Il n’est pas besoin de l’envelopper d’une feuille anti-poussière, comme c’est souvent le cas pour les ponts qui franchissent un cours d’eau, en raison des écailles de peinture aux métaux lourds qui y tomberaient immanquablement.
La pose des pièces d’ancrage des plaques s’avère délicate. «Il est essentiel que, lors de leur fixation, les fibres de carbone ne se rompent pas», remarque Elyas Ghafoori. L’Empa étudie cette technique depuis plus de dix ans et effectue ses essais avec les lourdes presses hydrauliques de sa grande halle. Le bureau dans lequel Elyas Ghafoori rédige ses publications se trouve un étage plus haut. «Au début, cela n’a pas été facile, se souvient-il. En 2009, lorsque, dans le cadre de mon travail de thèse, j’ai soumis mes ancrages à un essai en traction, ils ont lâché pendant la nuit. Ce qui ne m’a pas vraiment valu le respect de mes collègues! On m’a même interdit pendant quelques jours, de fréquenter le laboratoire, mon travail semblait trop dangereux», poursuit-il.
 
Un système d’ancrage breveté
Le système d’ancrage développé à l’Empa est maintenant protégé par un brevet. Il a largement fait ses preuves. En effet, le pont de Münchenstein est consolidé depuis 2015 au moyen de PRFC à fibres précontraintes. Jour après jour, plusieurs douzaines de trains de voyageurs ou de marchandises empruntent cet ouvrage historique. Un système de surveillance à long terme, composé d’un réseau de capteurs sans fil, mesure la charge et les mouvements des différentes parties du pont et envoie ces données à l’Empa en temps réel.
Le projet, qui est également le sujet de la thèse de doctorat d’Elyas Ghafoori, a rapidement fait le tour des spécialistes. En 2018, un pont australien du même type et vieux de 122 ans, le pont de Diamond-Creek près de Melbourne, a été consolidé selon la même technique. «Depuis Münchenstein, nous avons fait des progrès», remarque le chercheur. La forme des ancrages a été améliorée et tout le dispositif a gagné en finesse. C’est important lorsque des poids lourds circulent sous le pont, notamment. Si le dispositif réduit trop le gabarit de passage, il pourrait être heurté par un chargement.
 
Des capteurs assurent la surveillance
L’équipe a en outre intégré à ses calculs, les fluctuations de températures été-hiver, les mesures faites à Münchenstein ayant démontré que le raidissement du pont par les plaques était sensiblement plus important pendant les chaudes journées d’été, qu’en hiver. Parce que la chaleur dilate l’ouvrage, alors que les plaques de fibres de carbone n’y sont que peu sensibles. Le corset se fait ainsi plus contraignant qu’en hiver.
Renforcé en janvier 2018, le pont de Diamond-Creek est également équipé de capteurs de charge, dont les mesures seront transmises en ligne à l’Empa. Pour contrôler l’effet du dispositif, les chercheurs ont fait rouler un semiremorque de 42 t sur le pont avant et après l’intervention. «Les premières données montrent que les forces exercées sur l’ancienne structure sont réduites de moitié», confirme Elyas Ghafoori. On peut en déduire que le pont restera encore en service deux fois plus longtemps que sans ce dispositif.
 
Des ponts à l’épreuve du temps
Elyas Ghafoori et Masoud Motavalli reçoivent de plus en plus de visiteurs étrangers. L’Institut français des sciences et technologies des transports (IFSTTAR), le Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement et la mobilité (CEREMA), ainsi qu’une délégation chinoise se sont annoncés, alors qu’une délégation étatsunienne s’est déjà rendu à l’Empa.
La technique est applicable sans grands frais dans toutes les régions du globe. «Pour le pont australien, nous avons pré-monté les agrafes et les plaques de PRFC chez nous, à l’Empa, nous les avons testées puis envoyées en Australie par colis postal», raconte Elyas Ghafoori. «Nous n’avions plus qu’à prendre l’avion et monter le tout sur place», ajoute-t-il.
Les chercheurs n’ont pas l’intention d’en rester là. Après avoir renforcé des porteurs métalliques en poutres droites, ils étudient actuellement le renforcement des éléments de liaison en X entre les porteurs. C’est là, entre cordons de soudure et joints de liaison, que la rouille aime se loger et que l’on observe des fissures de fatigue menaçant l’ouvrage. Un nouveau système de bandes de PRFC pourrait bientôt résoudre le problème. Bien des ponts métalliques du XIXe siècle pourraient ainsi bénéficier d’une nouvelle vie et, finalement, survivre à bien des ouvrages plus jeunes en béton armé.
 
Elyas Ghafoori
Structural Engineering
Tél. 058 765 49 35
Elyas.Ghafoori@empa.ch
 
Prof. Masoud Motavalli
Structural Engineering
Tél. 058 765 41 16
Masoud.Motavalli@empa.ch


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