Comportement en flexion d'arcs tubulaires en PRF enroulés remplis de béton avec barres internes en PRF

Des supports de tunnel plus robustes pour des conditions souterraines difficiles

Les villes modernes et les réseaux de transport s'appuient de plus en plus sur des tunnels et des espaces souterrains, mais le béton et l'acier qui les soutiennent peuvent se dégrader insidieusement avec le temps. Les environnements souterrains, sombres, humides et souvent agressifs chimiquement, corrodent l'acier et détériorent le béton, augmentant les coûts de maintenance et les risques pour la sécurité. Cette étude explore un nouveau type d'arc de soutènement pour tunnel qui remplace l'acier susceptible de rouiller par des composites à fibres de verre et un béton spécialement renforcé, visant à fournir une résistance durable là où les matériaux traditionnels montrent leurs limites.

Un nouvel arc protecteur

Les chercheurs se sont intéressés à des supports en forme d'arc réalisés à partir de tubes en polymère renforcé de fibres de verre (PRF) pré-courbés lors d'un procédé de fabrication automatisé. Ces tubes sont ensuite remplis d'un coulis haute résistance (un béton fin) et renforcés par de fines barres internes en PRF longeant l'arc. Parce que le PRF ne rouille pas, cette combinaison est particulièrement intéressante pour des milieux souterrains humides, acides ou salins, comme les tunnels, les buses et les ouvrages de protection. L'équipe a développé un procédé industriel d'enroulement de filaments capable de produire ces tubes courbés avec une qualité régulière, ce qui répond à un obstacle majeur à l'utilisation à grande échelle d'arcs composites.

Mise à l'épreuve des arcs

Pour évaluer les performances de ces arcs composites, les auteurs ont fabriqué et testé 18 spécimens d'arc de taille et de forme fixes mais avec des dispositions internes différentes. Certains arcs étaient des tubes PRF creux, d'autres remplis uniquement de coulis, et d'autres encore remplis de coulis avec quatre barres internes en PRF. Ils ont aussi varié l'épaisseur de la paroi du tube (3, 5 ou 7 millimètres). Chaque arc était maintenu aux deux extrémités et écrasé vers le bas à sa clé dans une machine d'essais universelle, un montage choisi pour créer une condition de flexion nette et sévère en milieu de portée. Pendant le chargement, l'équipe a enregistré les flèches, la fissuration et le développement des déformations autour de la courbure, ce qui leur a permis de suivre la redistribution des efforts internes au fur et à mesure de l'endommagement.

Comment l'épaisseur et les barres internes modifient le comportement

Les expériences ont montré que l'augmentation de l'épaisseur du tube PRF augmentait sensiblement la charge que les arcs pouvaient supporter avant rupture. Pour les arcs creux comme pour les arcs remplis de béton, passer de l'épaisseur la plus faible à la plus élevée a à peu près doublé la capacité ultime, et des tubes plus épais rendaient aussi les arcs plus raides en phase élastique initiale. Le remplissage des tubes avec du béton a apporté un autre gain important en résistance et en absorption d'énergie. Le plus grand saut, toutefois, est venu de l'ajout des barres internes en PRF : comparés aux tubes creux, les arcs remplis de béton et dotés de barres supportaient environ deux fois et demie à presque quatre fois plus de charge et pouvaient subir plus du double de déformation avant de perdre leur capacité. Les calculs suggèrent que les barres, bien qu'occupant seulement une petite fraction de la section, fournissent environ la moitié de la capacité portante totale, tandis que le béton apporte une contribution constante et que le tube résiste en traction tout en confinant le béton en compression.

Des données d'essai à la conception prédictive

Au-delà des essais, les auteurs ont développé un modèle de calcul simplifié pour estimer la charge qu'un tel arc peut supporter sous une force concentrée en sa clé. Ils ont traité l'arc comme une structure encastrée aux deux extrémités qui finit par former quatre zones de « charnières plastiques » là où la flexion est la plus élevée. En convertissant la section tubulaire courbée en un rectangle équivalent et en utilisant des formules établies pour le béton confiné et le PRF en traction, ils ont déduit la résistance en flexion à ces charnières et, à partir de là, la charge ultime globale. En comparant ces prédictions aux résultats d'essai pour les arcs contenant des barres internes, les écarts étaient de l'ordre de 10 %, ce qui suggère que le modèle capture le comportement essentiel pour cette géométrie d'arc et cette condition de chargement spécifiques.

Implications pour les structures souterraines futures

En termes clairs, l'étude montre que des arcs en PRF remplis de béton avec des barres fibreuses internes peuvent être à la fois plus résistants et plus ductiles que des arcs en béton conventionnel tout en résistant à la corrosion qui affecte l'acier. La combinaison d'un tube composite produit industriellement, d'un noyau en béton confiné et de barres internes à haute résistance fournit des éléments de soutènement capables d'encaisser de fortes charges et de se déformer sans effondrement brutal. Bien que les règles de conception actuelles ne soient validées que pour des arcs similaires à ceux testés, les conclusions ouvrent la voie à une nouvelle famille de revêtements de tunnels et d'arcs de protection durables et légers qui pourraient rendre les infrastructures souterraines plus sûres et plus durables avec moins d'entretien.

Citation: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Mots-clés: support de tunnel, polymère renforcé de fibres, arcs en béton, résistance à la corrosion, structures souterraines