Efficacité des systèmes d’ancrage pour poutres en béton armé renforcées en flexion par polymères renforcés de fibres de basalte

Pourquoi des poutres plus résistantes sont importantes

À l’intérieur des ponts, parkings et immeubles résidentiels se trouvent des poutres en béton qui supportent discrètement des charges lourdes pendant des décennies. Avec le temps, ces poutres peuvent se fissurer et se fragiliser, en particulier lorsque le trafic augmente ou que les normes évoluent. Cette étude explore une méthode récente pour redonner une seconde vie à des poutres fatiguées en utilisant de fines nappes issues de fibres de basalte, un matériau dérivé de la roche volcanique, et se concentre sur la manière de fixer ces nappes pour qu’elles rendent réellement les structures plus sûres.

Nouvelles « vestes » pour le vieux béton

Les ingénieurs renforcent souvent des poutres existantes en collant des nappes de fibres sous la poutre, un peu comme appliquer un pansement mince et haute résistance. Les nappes traditionnelles utilisent des fibres de carbone ou de verre ; le polymère renforcé de fibres de basalte (BFRP) offre une option moins coûteuse et plus écologique, avec une bonne résistance et durabilité. Le problème est que ces nappes peuvent se détacher soudainement du béton avant d’exploiter toute leur résistance, une rupture franche qui gaspille le matériau et limite les gains de sécurité. Les auteurs ont entrepris de tester comment différents systèmes de fixation, appelés ancrages, peuvent maintenir les nappes BFRP solidement attachées pour que les poutres supportent davantage de charge sans décollement imprévu.

Comment les essais ont été mis en place

L’équipe de recherche a construit huit poutres en béton pleine grandeur, chacune d’un peu plus de trois mètres de long, avec un armature en acier identique. Certaines poutres ont été laissées non renforcées comme référence, tandis que d’autres ont reçu deux ou quatre couches de nappes BFRP collées sous la poutre sur différentes longueurs. Pour maintenir les nappes en place, l’équipe a testé deux types d’ancrage principaux : les enroulements en U, qui enveloppent le BFRP autour des faces latérales de la poutre comme une ceinture, et les ancrages à clous (spike anchors), qui rassemblent des fibres BFRP en chevilles insérées dans des trous pratiqués dans le béton. Toutes les poutres ont été soumises à une flexion en laboratoire avec deux charges concentrées jusqu’à la rupture, tandis que des capteurs enregistraient la flèche et les fissures le long de la travée.

Ce qui s’est passé pendant la flexion

À mesure que la charge augmentait, les poutres se comportaient d’abord de manière élastique, puis développaient des fissures de flexion verticales entre les charges appliquées, et enfin cédaient lorsque l’armature interne en acier entrait en écrouissage. Les poutres renforcées étaient plus rigides que la poutre témoin après fissuration, et leur capacité ultime en flexion a augmenté jusqu’à un tiers. Cependant, ajouter davantage de couches de BFRP n’a pas nécessairement apporté beaucoup plus de résistance. Dans plusieurs cas, les nappes se sont détachées de la couverture en béton avant de se rompre, si bien qu’une partie seulement de leur résistance potentielle a été exploitée. Les poutres dont les nappes étaient correctement ancrées présentaient des fissures plus rapprochées mais plus étroites, indiquant que le BFRP aidait à mieux répartir les efforts de traction le long de la travée.

Pourquoi l’ancrage change tant de choses

Le cœur de l’étude consistait à comparer des poutres avec des dispositions BFRP similaires mais des détails d’ancrage différents. Lorsque les nappes BFRP étaient suffisamment longues pour respecter les longueurs de développement prescrites par les règles de conception, le mode de rupture est passé du décollement des nappes à la rupture des nappes elles‑mêmes, et la résistance en flexion de la poutre a augmenté d’environ 29 % par rapport au témoin. Les enroulements en U ont produit un effet comparable même lorsque la longueur renforcée était plus courte : ils ont fait passer la rupture du décollement terminal à la rupture du BFRP et ont augmenté la résistance d’environ 25 %. Les ancrages à clous n’ont été efficaces que lorsque leur profondeur d’encrage était importante ; des clous peu profonds se comportaient comme l’absence d’ancrage. Toutes configurations confondues, le renforcement a réduit la ductilité, c’est‑à‑dire la capacité de la poutre à se déformer avant la rupture, mais cette perte est restée généralement de l’ordre de 30 % de la déformabilité initiale de la poutre.

Enseignements pour des réparations plus sûres

Pour un public non spécialiste, le message clé est que coller simplement des fibres résistantes sur une poutre affaiblie ne suffit pas. La manière dont ces fibres sont fixées au béton détermine en grande partie si elles apporteront réellement un gain en situation critique. Les nappes de fibres de basalte peuvent augmenter de façon sensible la charge que peut supporter une poutre, mais seulement si les concepteurs prévoient une longueur collée suffisante ou des ancrages efficaces, comme les enroulements en U qui embrassent les côtés de la poutre. Les ancrages à clous peuvent fonctionner, mais uniquement lorsqu’ils sont profondément ancrés dans le béton. L’étude suggère qu’avec un soin approprié dans le détail des systèmes d’ancrage, les composites à base de basalte constituent un outil pratique et plus écologique pour prolonger la durée de vie de nombreuses structures courantes en béton.

Citation: Aziz, J., Ragab, M., Elgabbas, F. et al. Efficiency of anchorage systems for RC beams strengthened in flexure using basalt fiber reinforced polymers. Sci Rep 16, 16288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52540-5

Mots-clés: polymère renforcé de fibres de basalte, renforcement de poutre en béton, ancrage FRP, enroulements en U, réhabilitation structurelle