Renforcement des poutres et colonnes en béton armé par des stratifiés CFRP, GFRP et KFRP

Pourquoi un béton plus résistant compte

Les ponts, les parkings et les ossatures de bâtiments sont tous construits en béton armé — des barres d’acier noyées dans le béton. Au fil des décennies, les intempéries, le trafic intense, les séismes et même les incendies affaiblissent progressivement ces ouvrages. Les démolir et les reconstruire est coûteux et génère beaucoup d’émissions de carbone. Cette étude explore une option plus intelligente : envelopper des poutres et colonnes en béton existantes avec de fines gaines composites à base de fibres de carbone, de verre ou de kenaf (d’origine végétale) pour augmenter la résistance, prolonger la durée de vie et potentiellement réduire l’impact environnemental.

Des gaines légères pour des structures fatiguées

Les auteurs se concentrent sur les stratifiés en polymère renforcé de fibres (FRP) — des feuilles très fines et résistantes pouvant être collées à l’extérieur du béton. Le FRP en carbone (CFRP) est le plus résistant et le plus raide mais aussi le plus coûteux ; le FRP en verre (GFRP) est moins cher et largement utilisé pour des améliorations modérées. Le FRP en kenaf (KFRP), fabriqué à partir des fibres de la plante Hibiscus cannabinus à croissance rapide, est plus léger et plus écologique, avec des émissions de production plus faibles. Comme la plupart des travaux antérieurs se sont concentrés sur des fibres synthétiques, cette étude examine comment un système à fibres naturelles comme le kenaf se compare réellement et si l’enveloppement des poutres et colonnes procure des avantages similaires.

Tester des conceptions dans un ordinateur

Plutôt que de construire des dizaines de poutres et de colonnes réelles, les chercheurs ont créé des modèles numériques détaillés en utilisant l’analyse par éléments finis, une méthode qui divise chaque élément en petits blocs pour suivre les contraintes et les fissures. Ils ont d’abord reproduit un essai en laboratoire antérieur pour s’assurer que leur modèle virtuel se comportait comme une structure réelle, en faisant correspondre la capacité portante et la déformation à moins de 2 % près. Le béton du modèle pouvait se fissurer et se concasser, les armatures en acier pouvaient céder, et les fines gaines FRP pouvaient progressivement perdre de la raideur à mesure que les dommages s’accumulaient — offrant une image réaliste du renforcement depuis la première sollicitation jusqu’à la rupture finale.

Comment les gaines modifient le comportement des poutres et colonnes

Avec le modèle validé, l’équipe a comparé quatre versions d’une poutre simplement appuyée et quatre versions d’une colonne courte : un témoin non gainé et trois gainées avec du kenaf, du verre ou du carbone, tous avec la même épaisseur de gaine. Pour les poutres, l’effet a été spectaculaire. L’enveloppement a augmenté la charge maximale que la poutre pouvait supporter d’environ 14 % avec KFRP, 24 % avec GFRP et un impressionnant 66 % avec CFRP. Les poutres fléchissaient également moins sous la même charge et absorbaient plus d’énergie avant la rupture — une mesure de ductilité qui a augmenté d’environ 19, 43 et 72 % pour les gaines en kenaf, verre et carbone, respectivement. En revanche, les colonnes gainées, qui supportent principalement une compression axiale, n’ont présenté que des gains modestes de capacité : environ 2 % pour le KFRP, 3 % pour le GFRP et 6 % pour le CFRP.

Pourquoi les poutres gagnent plus que les colonnes

La différence tient au mode d’action de ces éléments. Les poutres sont des éléments fléchissants ; leurs fibres inférieures sont mises en tension, domaine où le béton ordinaire est faible. Les gaines FRP externes excellent en tension, elles aident donc à prendre en charge ce rôle, retardent l’apparition des fissures et reportent une plus grande part des efforts sur les fibres résistantes. Les colonnes de cette étude étaient carrées, courtes et déjà très résistantes en compression. Les gaines ajoutent principalement un effet de confinement autour du noyau en béton plutôt qu’une nouvelle voie portante. Pour une section carrée, ce confinement est inégal — plus fort aux angles et plus faible sur les faces plates — si bien qu’une grande partie du potentiel de la gaine n’est pas pleinement exploitée. Le résultat est une amélioration visible mais relativement limitée de la résistance des colonnes.

Concilier performance et durabilité

Globalement, les gaines en fibres de carbone ont fourni le plus grand bond de performance et restent le meilleur choix technique lorsque la résistance maximale et la ductilité sont critiques, comme pour des poutres fortement sollicitées dans des parties clés d’un pont ou d’un bâtiment. Les gaines en fibres de verre ont offert une amélioration solide et intermédiaire. Les gaines en fibres de kenaf ont moins augmenté la capacité mais ont tout de même renforcé significativement les poutres tout en présentant des avantages en termes de poids, de coût et d’empreinte environnementale. Pour de nombreuses opérations de réparation courantes — où un renforcement modéré suffit et où les objectifs de durabilité comptent — les stratifiés à base de kenaf peuvent être une option judicieuse. L’étude montre qu’avec des modèles numériques bien calibrés, les ingénieurs peuvent comparer ces matériaux côte à côte et concevoir des renforts qui sacrifient peu de performance mécanique pour de substantiels bénéfices climatiques et en ressources.

Citation: Adel, K., Abdelazeem, M., Sherif, A. et al. Strengthening RC beams and columns with CFRP, GFRP and KFRP laminates. Sci Rep 16, 11004 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43464-1

Mots-clés: renforcement du béton armé, polymère renforcé de fibres, fibres de carbone et de verre, fibres naturelles de kenaf, modélisation par éléments finis