Étude expérimentale et numérique du comportement en compression axiale de murs en béton armé par des barres GFRP sous chargement concentrique et excentrique

Pourquoi des murs en béton plus sûrs comptent

De nombreuses structures quotidiennes, des immeubles d’habitation aux ponts côtiers, reposent sur des murs épais en béton pour supporter le poids du bâtiment et résister au vent, aux vagues et aux séismes. Ces murs sont généralement renforcés par des barres d’acier noyées dans le béton. Avec le temps, cependant, l’acier peut corroder, surtout dans des environnements salins ou chimiquement agressifs, ce qui affaiblit la structure et raccourcit sa durée de vie. Cette étude examine si des barres en fibres de verre, qui ne rouillent pas, peuvent remplacer en toute sécurité l’acier à l’intérieur de tels murs sans sacrifier excessivement la résistance ou la sécurité.

De l’acier rouillé aux fibres de verre non corrosives

À l’intérieur d’un mur en béton armé, les barres dissimulées sont aussi importantes que le béton lui‑même. Les barres d’acier traditionnelles sont résistantes et ductiles, c’est‑à‑dire capables de se déformer avant la rupture, mais elles sont vulnérables à la corrosion lorsque l’eau et les sels atteignent les fissures. Les barres en polymère renforcé de fibres de verre (GFRP) proposent un compromis différent : légères, résistantes en traction et immunisées contre la rouille, elles présentent toutefois une raideur et un mode de rupture différents, plus fragile. Les règles de conception actuelles considèrent généralement que ces barres apportent peu ou pas de contribution en compression, car leur comportement dans des murs comprimés n’est pas encore bien compris. Les auteurs ont entrepris de combler cette lacune en testant des murs en béton avec barres GFRP face à des murs identiques renforcés en acier.

Comment les murs ont été construits et testés

L’équipe a moulé six éprouvettes de murs trapus d’environ un mètre de hauteur et 15 centimètres d’épaisseur en utilisant un mélange de béton haute performance. Chaque mur comportait un réseau de barres internes verticales et horizontales. Deux variables principales ont été modifiées : le type d’armature (acier ou GFRP) et la manière d’appliquer la charge. Dans un groupe, la charge de compression verticale était appliquée au centre du mur, simulant un poids uniforme venu d’au‑dessus. Dans le second groupe, la même charge était décalée hors centre, introduisant du flambement en plus de la compression, ce qui se rapproche de nombreuses situations réelles. Des capteurs ont mesuré le raccourcissement, la flexion, les fissures et la rupture finale des murs, tandis que les chercheurs ont relevé à la fois la première fissure visible et la charge ultime que chaque mur pouvait supporter.

Ce qui s’est passé lorsque les murs ont été poussés

Les murs équipés de barres GFRP ont supporté une charge verticale quelque peu inférieure à celle de leurs homologues en acier mais ont présenté un comportement stable et prévisible. Sous chargement central, le remplacement de l’acier par du GFRP a réduit la charge maximale supportée d’environ 11 à 13 %. Sous chargement excentré, la perte variait d’environ 6 à 14 %. Parallèlement, les murs renforcés en GFRP ont montré des rapports de ductilité légèrement supérieurs, une mesure de la capacité à se déformer au‑delà du premier affaiblissement notable avant la rupture. Les murs armés en acier tendaient à céder par écrasement et éclatement du béton près du bord comprimé après la plasticisation de l’acier, tandis que les murs GFRP développaient des fissures plus uniformément réparties puis rompaient plus brutalement lors de la rupture des barres en fibre de verre. L’énergie que chaque mur pouvait absorber avant la rupture, calculée à partir de l’aire sous la courbe charge‑déplacement, était la plus élevée pour les échantillons armés en acier mais restait substantielle pour ceux armés en GFRP.

Des modèles numériques qui reproduisent les fissures réelles

Pour savoir si les ingénieurs peuvent s’appuyer sur des outils de simulation avancés plutôt que d’essayer chaque type de mur en laboratoire, les auteurs ont construit des modèles numériques détaillés des murs en utilisant une technique appelée analyse non linéaire par éléments finis. Dans ce cadre virtuel, le béton pouvait se fissurer et s’écraser, tandis que les barres d’acier ou de GFRP intégrées supportaient la traction et la compression selon leurs propriétés mesurées. Lorsque les murs simulés étaient chargés de manière concentrique ou excentrique, les charges ultimes prédites, les variations de rigidité et les schémas de fissuration correspondaient bien aux expériences, avec des différences de résistance généralement inférieures à environ 12 %. L’étude a également comparé les résultats expérimentaux à plusieurs formules de conception et méthodes de codes du bâtiment existants, montrant que certaines recommandations ont tendance à surestimer la capacité des murs renforcés en GFRP et suggérant un facteur de correction simple pour améliorer la précision.

Ce que cela signifie pour les bâtiments futurs

Pour un non‑spécialiste, le message clé est que les murs en béton renforcés par des barres en fibres de verre peuvent constituer une alternative sans corrosion viable à l’acier, en particulier dans les environnements agressifs tels que les zones côtières et les sites industriels. Ces murs cèdent une portion modeste de leur capacité portante et d’absorption d’énergie, mais conservent une réponse post‑fissuration régulière et une ductilité acceptable, tout en évitant les dommages à long terme liés à la corrosion de l’acier. Avec une conception soignée tenant compte de leur résistance légèrement inférieure, et grâce à des modèles numériques validés, les murs en béton renforcés en GFRP pourraient aider les ingénieurs à construire des structures plus durables et plus soutenables nécessitant moins de réparations au cours de leur vie.

Citation: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

Mots-clés: Béton armé GFRP, comportement en compression axiale, murs structurels, armature résistante à la corrosion, modélisation par éléments finis