Corset de soutien pour ponts historiques en acier

Conserver plutôt que jeter - cela ne vaut pas seulement pour les villas Art nouveau, les voitures de sport d'avant-guerre ou les orgues Hammond des années 1950 ; conserver plutôt que mettre à la ferraille est également une bonne idée pour les vieux ponts ferroviaires ou routiers. Ces monuments industriels, souvent imaginés et calculés par des ingénieurs en construction métallique du 19e siècle, rouillent en silence ou grincent bruyamment sous les trains Intercity modernes et les lourds semi-remorques.

La bonne nouvelle : on peut les sauver. Un corset de soutien en PRFC (plastique renforcé de fibres de carbone), fixé au pont de manière réversible et conforme à la protection des monuments historiques, renforce la résistance des anciens ouvrages, les rend sûrs et leur permet de résister plus longtemps et mieux à leur vie quotidienne.

Une méthode douce pour des structures fortes

Masoud Motavalli et Elyas Ghafoori ont déjà soutenu deux vieux ponts avec cette méthode "douce" : le pont ferroviaire de Münchenstein près de Bâle, construit en 1892, et le pont routier de Diamond Creek en Australie, construit en 1896. Si leur système s'imposait dans le monde entier, il y aurait de quoi faire : En Europe, environ 30 pour cent des ponts ont plus de 100 ans. La situation est similaire aux États-Unis, en Australie et au Japon. Les autorités routières et les compagnies ferroviaires du monde entier cherchent des méthodes pour maintenir ces ouvrages en vie. Il est possible que l'Empa en détienne la clé. Le partenaire de recherche est Alain Nussbaumer, qui travaille à l'Empa. EPFL sur la fatigue et la mécanique de la rupture des structures en acier. Nussbaumer supervise également les thèses de doctorat qui ont été rédigées dans le cadre de ces projets de recherche à l'université de Zurich. Empa courir.

Le PRFC est idéal pour renforcer les structures : il résiste à la corrosion et ne montre aucune fatigue du matériau, il est en outre léger et ne charge pas la structure d'un poids supplémentaire, comme le ferait un renforcement en acier.

Une ancre au lieu de la colle

Contrairement au bois ou au béton, sur lesquels il suffit de coller le renfort en PRFC, la fixation sur d'anciennes poutres en acier est toutefois nettement plus compliquée. Souvent, les poutres de pont sont rouillées ou recouvertes d'épaisses couches de peinture. Parfois, des rivets dans les poutres en acier empêchent le collage à plat des patchs en PRFC. Ghafoori contourne ces problèmes en ne collant pas le CFK directement sur le pont, mais en fixant les panneaux au pont à l'aide d'ancrages. Cela permet d'éviter le ponçage à blanc de grandes surfaces. Atout supplémentaire : il n'est pas nécessaire de fermer le pont à la circulation pendant le montage de la bande CFK. Il n'est pas non plus nécessaire d'envelopper le pont d'un film plastique - ce qui est souvent nécessaire lorsque d'anciens ponts traversent des rivières et qu'il ne faut pas que des éclats de peinture contenant des métaux lourds se répandent dans les eaux.

Les ancrages que Ghafoori utilise pour fixer ses pavés en PRFC ne sont pas faciles à reproduire. "Il est décisif que les fibres de carbone ne se cassent pas lors du serrage du PRFC", explique Ghafoori. Cela fait plus de dix ans qu'il étudie cette technique à l'Empa et qu'il utilise les lourdes presses hydrauliques du hall de construction pour ses expériences. Le bureau dans lequel il rédige ses publications se trouve juste au-dessus. "Les débuts n'ont pas été faciles", se souvient le chercheur. "En 2009, lorsque j'ai testé les premiers ancrages lors d'un essai de traction dans le cadre de mon travail de master, ils sont tombés du jour au lendemain. Cela ne m'a pas vraiment valu le respect de mes collègues. J'ai même été interdit de visite au laboratoire pendant quelques jours, mon travail était considéré comme trop dangereux".

Entre-temps, le système d'ancrage développé à l'Empa est protégé par un brevet et a depuis longtemps passé l'épreuve du temps : Depuis 2015, le pont de Münchenstein est renforcé par les pavés en PRFC précontraints. Chaque jour, plusieurs dizaines de trains de voyageurs et de marchandises circulent sur cette structure métallique historique. Un système de surveillance à long terme composé d'un réseau de capteurs sans fil mesure la charge et les mouvements des éléments du pont et fournit les données en temps réel à l'Empa.

Équipé pour toutes les éventualités

Le projet, avec lequel Ghafoori a également soutenu sa thèse, a rapidement été connu des spécialistes. C'est ainsi qu'en janvier 2018, un pont tout à fait similaire en Australie a pu être renforcé avec le système CFRP : le pont Diamond Creek, vieux de 122 ans, près de Melbourne. "Nous avons appris beaucoup de choses depuis Münchenstein", souligne Ghafoori. Les chercheurs ont ainsi pu améliorer la forme des ancrages et rendre toute la construction plus plate. C'est important, car de nombreux ponts sont traversés par des camions. Si les haubans s'avançaient trop vers le bas, les remorques particulièrement hautes pourraient entrer en collision avec la nouvelle technique. En outre, l'équipe a pris en compte les variations de température entre l'été et l'hiver : Les mesures effectuées sur le pont de Münchenstein avaient montré que le renforcement en PRFC du pont fonctionnait bien mieux lors des chaudes journées d'été qu'en hiver. La raison : dans la chaleur de l'été, le pont en acier se dilate, mais la longueur du renforcement en PRFC reste presque identique. Ainsi, le pont est davantage comprimé par son corset de soutien en été qu'en hiver.

Le pont de Diamond Creek, renforcé en janvier 2018, porte lui aussi des capteurs et fournira des données de charge en ligne à l'Empa pendant au moins un an et demi. Pour voir si le renforcement a un effet, les chercheurs avaient fait rouler un semi-remorque de 42 tonnes sur le pont avant et après la fixation des bandes de PRFC. "Les premières données montrent que les forces exercées sur le pont ont diminué de moitié", explique Ghafoori. "Selon une estimation prudente, cela pourrait conduire à doubler sa durée de vie résiduelle".

Rendre les ponts résistants à l'avenir

Entre-temps, Ghafoori et Motavalli reçoivent de plus en plus de visites de l'étranger. L'Institut français de recherche sur les transports, le Centre français de la mobilité et une délégation chinoise se sont annoncés, une délégation américaine a également déjà rendu visite à l'Empa. La méthode peut être appliquée sans grand effort dans le monde entier. "Pour l'Australie, nous avons prémonté les agrafes avec les bandes de PRFC chez nous à l'Empa, nous les avons testées, puis nous les avons simplement envoyées par colis postal sur le chantier", explique Ghafoori. "Il nous a suffi par la suite de nous y rendre en avion et de tout assembler sur place".

Bien entendu, les chercheurs ne veulent pas s'arrêter à l'état actuel des connaissances. Après avoir renforcé les poutres droites en acier, ils veulent maintenant renforcer les pièces de jonction en forme de X entre les poutres. C'est là, au niveau des soudures et des joints de liaison, que la rouille aime particulièrement fleurir et que des fissures de fatigue apparaissent, pouvant rendre le pont instable. Un système de bandes en PRFC récemment mis au point pourrait bientôt résoudre le problème. Avec ce type de soutien, de nombreux ponts en acier du 19e siècle pourraient être rendus plus résistants à l'avenir - et ainsi, au final, survivre encore nettement à leurs jeunes frères et sœurs en béton armé.