La présente invention concerne le domaine du renforcement de structures en maçonnerie comprenant au moins un arc s'étendant entre deux points d'appui, par exemple un élément de voûte ou un élément de traverse, comprenant une pluralité de pièces mutuellement en compression.
Au cours du temps, de telles structures sont susceptibles de se dégrader pour diverses raisons, infiltration d'eau provoquant une dégradation des pierres ou des briques constituant la structure, tassement du sol provoquant un mouvement des fondations du bâtiment et de ses superstructures, modification du bâtiment postérieurement à sa construction, etc.
L'article « calcul, désordres, réparation et modernisation des ponts en maçonnerie » de Messieurs Delbecq, Michotey et Simonet, publié dans la revue Travaux No. 561 de décembre 1981, décrit les dégradations et différents modes de réparation des ponts en maçonnerie. Dans le cas de désordres de l'intrados de la voûte, il est prévu de réaliser une contrevoûte en béton projeté après nettoyage et rejointement de l'intrados. La contrevoûte est ancrée dans les parties saines par des épingles en acier et armée par un treillis soudé fixé sur ces épingles. Dans le cas d'un bombement de la partie supérieure de la voûte, on peut procéder au démontage et au remontage du tympan. Dans le cas de fissures transversales de la voûte, il convient tout d'abord de conforter les fondations puis, si l'état de la voûte n'est pas très critique, on peut être tenté de restaurer le monolithisme de la maçonnerie par des injections. Il ne faut cependant pas oublier qu'une voûte en maçonnerie s'adapte très bien : ce remède ne paraît donc pas toujours utile ; bien plus, il risque de modifier le schéma mécanique de la voûte en la rendant plus rigide. En outre, on ne sait pas très bien ce que l'on fait en injectant une fissure : où passeront les efforts ensuite ? Si une solution de ce type est adoptée, on devra en outre recomprimer la voûte (démontage et clavage de la pierre de clé, vérinage à la clé). En tout état de cause, dans le cas d'une insuffisance de la voûte, cette solution est inefficace : il faut augmenter « les coefficients de rupture » de la voûte en lui redonnant de l'épaisseur, après avoir éventuellement injecté les fissures pour les bloquer. Un épaississement part au-dessus est réalisé après décaissement du remblai avec création d'une voûte en béton épinglée à la voûte maçonnerie. L'épaississement par en dessous est réalisé avec une contrevoûte en béton projeté ou avec des poutrelles métalliques cintrées qui sont ensuite noyées dans un béton projeté ou coulé à l'avancement.
De façon connue, la restauration d'une voûte ou d'un arc porteur de voûte en cas de fissuration, dégradation, déformation, peut être réalisée, soit par coulis de chaux, la réussite de ce procédé étant aléatoire, soit par remplacement des éléments dégradés ou cassés nécessitant des échafaudages, voire une reconstruction de l'ouvrage. Ces procédés imposent de lourdes servitudes d'exploitation et de mise en oeuvre, notamment de délai, d'immobilisation du bâtiment ou de l'ouvrage d'art, de coût, et ne permettent pas de renforcer des ouvrages trop sollicités ou dégradés, en toute fiabilité et en toute sécurité, pour un coût raisonnable.
De plus, dans le cas de voûtes dont l'intrados supporte des éléments de grand intérêt historique ou artistique tels que des fresques, des peintures ou des sculptures, ces procédés ne permettent pas de les préserver intégralement.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des procédés connus.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de renforcement de structure en maçonnerie de mise en oeuvre facile, rapide et peu onéreuse, tout en respectant les éléments ne devant pas être modifiés par le renforcement.
Le procédé de renforcement, selon l'invention, est destiné à une structure de maçonnerie comprenant au moins un arc s'étendant entre au moins deux points d'appui distincts et comprenant une pluralité de pièces mutuellement en compression, chaque pièce se maintenant par frottement sur les pièces adjacentes. On ajoute sur la surface supérieure de la structure de maçonnerie au droit de l'arc un élément réalisé dans des matériaux de coefficients de dilatation et de coefficients d'élasticité proches de ceux du matériau constituant la structure de maçonnerie, et solidarisé avec ladite structure de maçonnerie. On évite ainsi toute intervention sur la surface inférieure de la structure qui est généralement celle présentant un intérêt historique ou esthétique.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément est solidarisé avec un voûtain de la structure de maçonnerie. On appelle "voûtain" une portion de voûte délimitée par des arêtes ou par des nervures occupant la place d'arêtes.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la structure de maçonnerie comprenant au moins un arc formé de claveaux juxtaposés, l'élément est solidarisé avec ledit arc. Un voûtain de la structure de maçonnerie peut être pris entre l'arc et l'élément.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les claveaux sont supportés par l'élément.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les contraintes de compression sont réparties au moins entre les claveaux et l'élément. Elles peuvent être réparties entre les claveaux, le voûtain de la structure de maçonnerie et l'élément.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les contraintes de compression sont réparties entre un voûtain de la structure de maçonnerie et l'élément.
Avantageusement, on solidarise la structure de maçonnerie et l'élément de renforcement au moyen d'aiguilles scellées dans des trous forés dans la structure de maçonnerie et en saillie dans l'élément travaillant.
La structure de maçonnerie comprenant au moins un arc, selon l'invention, s'étend entre deux points d'appui et comprend une pluralité de pièces mutuellement en compression. Chaque pièce se maintient par frottement sur les pièces adjacentes. La structure comprend un élément de renforcement réalisé dans des matériaux de coefficients de dilatation et d'élasticité proches de ceux du matériau constituant la structure de maçonnerie. L'élément de renforcement est disposé sur une surface supérieure de ladite structure de maçonnerie au droit de l'arc et est solidarisé avec ladite structure de maçonnerie.
On obtient ainsi une structure de maçonnerie renforcée sans intervention sur sa surface inférieure et dont le renforcement est invisible du côté de cette surface inférieure.
Le renforcement est réalisé par augmentation de la section travaillante de la structure. En fonction des efforts devant être repris par l'élément travaillant et des déformations de la structure de maçonnerie d'origine, on peut prévoir que l'élément travaillant présente une section variable adaptée aux dits efforts et permettant ainsi une réduction de la quantité de matière utilisée pour la réalisation de l'élément travaillant et par conséquent une réduction du coût. Cette augmentation de la section travaillante permet de réduire les contraintes sur les éléments existants. On peut même prévoir que l'élément travaillant reprenne l'ensemble des efforts et supporte les pièces de la structure de maçonnerie. On pourra alors prévoir un organe de séparation entre l'élément travaillant et la structure existante, par exemple une feuille de feutre, de polyane ou de tout autre matériau compatible présentant une résilience suffisante.
Si l'on souhaite accroître la cohésion entre l'élément travaillant et la structure existante, on peut prévoir un voile de renfort s'étendant de part et d'autre de l'élément travaillant, par exemple sur une certaine largeur d'une voûte plane ou d'un voûtain afin, là encore, d'augmenter l'inertie de la voûte. L'élément travaillant peut être de largeur égale à celle d'un arc de la structure de maçonnerie ou de largeur supérieure à celle de l'arc, afin d'augmenter sa rigidité transversale.
Selon les efforts à reprendre et la déformation de la structure existante, l'élément travaillant peut être prévu sur une partie de la surface de la structure existante, par exemple sur certains arcs d'une voûte, sur des portions d'arc d'une voûte, en console entre une voûte et un mur, etc.
Dans un mode de réalisation de l'invention, une pluralité de tiges d'armature sont noyées dans l'élément de renforcement.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément de renforcement est complété par un élément de poutre, l'élément de renforcement et l'élément de poutre étant solidaires.
Avantageusement, l'élément de renforcement se présente sous la forme d'au moins une poutre plane solidarisée avec au moins une partie de la dite structure de maçonnerie, au moyen de tirants.
Avantageusement, au moins une partie de la dite structure de maçonnerie est pourvue de tirants aptes à répartir au moins une partie de la charge vers des points d'appui, chaque tirant étant solidarisé avec la dite partie de la structure de maçonnerie et avec un point d'appui.
Dans un mode de réalisation de l'invention, un tirant est scellé dans un point d'appui pourvu de moyens de répartition des efforts de traction exercés par le dit tirant. Les moyens de répartition d'un point d'appui peuvent être formés par au moins une barre de renforcement sensiblement perpendiculaire au tirant solidarisé avec le dit point d'appui.
Dans un mode de réalisation de l'invention, une partie de la dite structure de maçonnerie, soumise à des efforts de traction transversaux est renforcée par des armatures croisées pour former une zone de traction homogène, pouvant inclure une partie d'arc, une partie de pilier et une partie du blocage intermédiaire entre intrados et extrados.
On choisira pour réaliser l'élément travaillant, un matériau présentant un module d'Young plus ou moins proche de celui de la structure existante en fonction du transfert de charge que l'on souhaitera réaliser entre la structure existante et le renfort. On peut réaliser l'élément travaillant en mortier à base de résine synthétique, par exemple de résine époxyde, chargée ou non, de quartz, de fibres de verre, de fibres de carbone. Ce mortier doit pouvoir être mis en oeuvre sous la pression atmosphérique et avoir une prise sans retrait.
Les aiguilles permettant de solidariser les pièces de la structure de maçonnerie existantes et l'élément travaillant sont réalisées à base de matériaux présentant de bonnes qualités mécaniques et peu sensibles à la corrosion, par exemple des fibres de verre, de carbone, des fibres aramide. Ces aiguilles sont scellées dans la structure existante au moyen d'une résine synthétique, par exemple époxyde, chargée ou non de sable.
L'invention est parfaitement adaptée au renforcement de voûtes à arcs en plein cintre, outrepassés ou non, à arcs brisés, à arcs en anse de panier, à arcs rampants ou encore multilobés, reposant sur des murs ou des piliers, et au renforcement d'une structure de maçonnerie droite du genre traverse ou linteau réalisée en plusieurs pièces travaillant en compression.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels :
Sur la figure 1, on a représenté le principe d'une voûte à croisée d'ogives comprenant deux arcs 1 et 2 mutuellement perpendiculaires et se croisant en leurs centres. La voûte est limitée sur ses bords 3 à 6, soit par des murs, soit par des arcs doubleaux ou des arcs formerets.
Sur la figure 2, on voit que l'on a ajouté des arcs secondaires 7 coopérant avec des liernes 8 et 9.
L'invention s'applique à tous types de structure en maçonnerie reposant sur deux points d'appui et travaillant en compression, par exemple une voûte selon la figure 1 ou 2, ou d'autres types de voûtes, voûte d'ogives sexpartite, voûte plane, ou encore structure droite travaillant en compression, quel que soit le matériau dans lequel est réalisée la structure, briques, différents types de pierres, granit, grès, calcaire, etc.
Sur la figure 3, on voit une portion de voûte en pierre 10 supportée par un piédroit 11 surmonté d'un mur bahut 12. La portion de voûte 10 comprend un arc 13 formé d'une succession de claveaux 14 juxtaposés et dont les plans de séparation passent par l'axe de la voûte 10. Chaque claveau 14 est mis en compression entre les claveaux voisins et par lesdits claveaux voisins ainsi que par la charge de la voûte 10. Les claveaux 14 sont généralement pourvus de joints en mortier assurant un frottement maximal entre les différents claveaux 14. La voûte 10 comprend également une portion de voûte délimitée par des arcs et appelée voûtain 15. Le voûtain 15 est d'épaisseur réduite par rapport à l'arc 13 sur lequel il repose.
Dans la plupart des monuments et des constructions, l'intrados 16 de la voûte 10 est visible par le public, tandis que l'extrados 17 ne l'est pas, étant recouvert d'un plancher ou d'une toiture. Un élément travaillant 18, réalisé en mortier synthétique, est coulé sur l'extrados 17 de la voûte 10 au droit de l'arc 13. L'élément travaillant 18 est solidarisé fermement avec chaque claveau 14 au moyen d'aiguilles 19, par exemple en résine époxyde chargée de fibres de verre.
La pose de l'élément travaillant 18 et des aiguilles 19 s'effectue de la façon suivante. On commence par dégager l'extrados 17 au droit de l'arc 13 de tout élément gênant tel qu'un enduit fissuré ou des déchets divers. A partir de l'extrados 17, on creuse dans chaque claveau 14 au moins un trou borgne dans lequel on vient disposer une aiguille 19 que l'on scelle au moyen d'une composition de résine synthétique, par exemple époxyde.
On laisse une partie de l'aiguille 19 en saillie par rapport au claveau 14. La profondeur du trou borgne et par conséquent la longueur de scellement de l'aiguille 19 sont déterminées en fonction de la charge à supporter par ladite aiguille 19. En cas de charge très importante, on peut prévoir plusieurs aiguilles 19 par claveau 14.
Ensuite, on vient recouvrir l'extrados 17 au droit de l'arc 13 d'un mortier synthétique pour former l'élément travaillant 18. Les extrémités des aiguilles 19 en saillie par rapport à l'extrados 17 sont noyées dans le mortier synthétique formant l'élément travaillant 18. La section de l'élément travaillant 18 est calculée en fonction des contraintes de compression devant être supportées. L'élément travaillant 18 peut être à section variable afin de s'adapter aux variations des contraintes.
Ainsi, quel que soit le type de voûte à renforcer, l'élément travaillant 18 permet de diminuer les contraintes devant être supportées par les éléments existants. Selon le type et l'état de dégradation de la voûte, on peut choisir de partager les contraintes de compression entre l'élément travaillant 18 et l'arc 13 comme on peut le voir sur la figure 3. Le mortier synthétique destiné à former l'élément travaillant 18 est alors directement coulé sur les claveaux 14 pour favoriser une bonne adhésion entre ces deux éléments. Des armatures de renforcement 27 peuvent être noyées dans l'élément travaillant 18 pour augmenter ses caractéristiques mécaniques. Les armatures 27 peuvent être réalisées en matériau synthétique, du type résine époxyde renforcée de fibres de verre ou de carbone.
Dans d'autres cas, par exemple si la voûte est fortement dégradée, l'élément travaillant 18 doit reprendre toutes les contraintes de compression et supporter chaque claveau 14 de l'arc 13. On dispose alors un séparateur 20 entre l'extrados 17 et l'élément travaillant 18 afin d'éviter que l'arc 13 ne supporte des efforts. Le séparateur 20 peut se présenter sous la forme d'une membrane, par exemple de feutre ou de polyane.
Si le voûtain 15 présente encore de bonnes caractéristiques mécaniques, on peut choisir de lui faire supporter une partie des contraintes. Comme on peut le voir sur la figure 5, le séparateur 20 est disposé entre l'élément travaillant 18 et chaque claveau 14 de l'arc 13. On dispose sur l'extrados 17 du voûtain 15 et sur la surface extérieure de l'élément travaillant 18 un tissu de verre ou stratifié formant un voile de renfort 21 et qui s'étend sur une partie ou sur la totalité du voûtain 15 en vue de sa participation à la reprise des contraintes de compression. Le voile de renfort 21 peut être réalisé par une succession de couches de toile de fibres de verre et de résine incluant éventuellement des panneaux sandwich alvéolés.
Pour améliorer la solidarisation du voûtain 15 et de l'élément travaillant 18, on peut encore prévoir des raidisseurs 22 disposés entre une partie du voile de renfort 21 au droit du voûtain 15 et une autre partie du voile de renfort 21 en contact avec l'élément travaillant 18. Les raidisseurs 22 peuvent être disposés à intervalles réguliers, par exemple en épi avec un angle prédéterminé par rapport à l'élément travaillant 18 et peuvent être réalisés en tout matériau inerte capable de supporter des contraintes de traction, par exemple en fibres aramide.
Si l'on veut que les claveaux 14 participent aussi à la reprise des contraintes de compression, on procédera à la pose de l'élément de renforcement 18 illustré sur la figure 5, en omettant le séparateur 20.
La variante illustrée sur la figure 6 est à rapprocher de la figure 3. Un séparateur 20 est posé entre l'extrados 17 de l'arc 13 et l'élément travaillant 18. Des armatures de renforcement 27 sont disposées dans l'élément travaillant 18. Les armatures 27 ont la forme de barres droites rigides, sensiblement cylindriques de diamètre de l'ordre de 10 à 30 mm. On dispose plusieurs armatures 27 de façon à épouser la forme générale de l'élément travaillant 18 tout en maintenant les dites armatures 27 noyées dans l'élément travaillant 18 et se croisant dans le plan de coupe tout en étant décalées en profondeur.
Les figures 7 et 8 illustrent un mode de réalisation particulier de l'invention. Une voûte 28 recouvrant une pièce de forme carrée est supportée en son centre par un pilier 29 et sur ses bords extérieurs par des murs 30. L'extrados 31 de la voûte 28 est formé par le sol de l'étage supérieur. L'intrados 32 est formé par des arcs et des voûtains. Entre l'extrados 31 et l'intrados 32, ou plus précisément entre le sol de l'étage supérieur et les arcs et les voûtains, un blocage 33, souvent hétérogène, est disposé et sert à remplir l'espace et à charger la voûte 28. Dans ce type de structure, on constate souvent une déformation de l'intrados 32 et un tassement du pilier 29.
Un élément travaillant 34 sous la forme d'une ou plusieurs poutres est disposé dans un ou plusieurs évidements creusés dans l'extrados 31 et se prolonge dans les murs 30. Des aiguilles, non représentées, peuvent être disposées pour solidariser l'élément travaillant 34 et/ou les arcs ou voûtains de l'intrados 32. Des tirants 35 sont fixés à une extrémité supérieure dans l'élément travaillant 34 et à une extrémité inférieure dans le pilier 29, par exemple à une hauteur comprise entre l'intrados 32 et l'extrados 31. Les tirants 35 sont répartis sur tout ou partie de la longueur de l'élément travaillant 34. Les tirants 35 sont formés dans le même matériau que les aiguilles et scellés de la même façon.
La portion 29a du pilier 29 dans laquelle sont fixés les extrémités inférieures des tirants 35 est soumise à d'importantes contraintes de traction dans un plan horizontal. De plus, de nombreux tirants 35 sont fixés par scellement dans la portion 29a. Pour reprendre ces contraintes, un complexe armé 36 (figure 11) est formé dans la dite portion 29a et dans son voisinage. Le complexe armé 36 comprend une pluralité de tiges 39 croisées comprenant des fibres de verre, de carbone ou autres et possédant des caractéristiques mécaniques adaptées en traction. Les tiges 39 sont disposées dans des trous sensiblement horizontaux forés à partir de l'intrados 32 au niveau de la portion 29a. Les tiges 39 sont scellées de la même façon que les aiguilles, dans la portion 29a, le blocage 33 et les arcs ou voûtains de l'intrados 32. Le complexe armé 36 forme une zone apte à résister aux efforts de traction transversale et à recevoir l'ancrage de l'extrémité inférieure des tirants 35.
Pour la simplicité du dessin de la figure 8, l'élément travaillant 34 et les tirants 35 n'ont pas été représentés. Des tirants 37, ou des nappes de tirants, sont fixés à une extrémité supérieure dans les murs 30 et à une extrémité inférieure dans le pilier 29 au niveau du complexe armé 36. Des trous sont forés dans les murs 30. L'extrémité supérieure des tirants 37 est scellée sur la presque totalité de l'épaisseur des murs 30. Les tirants 37 sont dans un matériau analogue à celui des aiguilles et peuvent atteindre des sections de plusieurs centimètres carrés pour reprendre des efforts importants. Le scellement s'effectue de la même façon que pour les aiguilles. Une précontrainte peut être appliquée aux tirants 37.
Un mur 30 est un ensemble hétérogène de pierres ou de briques de dimensions variées et de mortier. Sa résistance aux efforts de traction exercés par un tirant 37 est difficilement modélisable et, à priori, faible. Pour éviter l'arrachement de pierres ou briques des dits murs 30, on prévoit de le renforcer de la façon suivante, préalablement à la pose des tirants 37.
On fore un ou plusieurs trous horizontaux dans le sens de la longueur d'un mur 30 sensiblement perpendiculairement aux futurs tirants 37. On y dispose et y scelle des tiges 38 du même type que les tirants 37 et de dimensions adaptées. Une précontrainte peut leur être appliquée. La zone dans laquelle sont disposées les tiges 38 présente une cohésion élevée. Les efforts exercés par les tirants 37 peuvent se répartir dans la dite zone sans risque d'arrachement de pierres ou briques. Grâce aux tiges 38, on forme une sorte de poutre horizontale insérée dans chaque mur 30 et constituant un répartiteur d'efforts.
La zone dans laquelle sont disposées les tiges 38 est, de toutes façons, stabilisée par la masse des parties des murs 30 situées à un niveau supérieur et exerçant une contrainte de compression. Pour favoriser encore la répartition des efforts, on peut augmenter le nombre de tirants 37 en diminuant leur section unitaire et en les disposant en éventail à partir du complexe armé 36.
En variante, on peut concevoir un renforcement seulement à base de tirants 37, tiges 38 et complexe armé 36.
Ainsi, on dispose d'un procédé de renforcement et d'une structure de maçonnerie s'étendant entre deux points d'appui et comprenant un élément de renforcement réalisé avec des matériaux de coefficients de dilatation et d'élasticité proches de ceux du matériau constituant la structure de maçonnerie, solidarisé avec la dite structure de maçonnerie, au moins une partie de la dite structure de maçonnerie étant pourvue de tirants aptes à répartir au moins une partie de la charge vers des points d'appui, chaque tirant étant solidarisé avec la dite partie de la structure de maçonnerie et avec un point d'appui. On peut ainsi diminuer la charge de compression s'exerçant sur un point d'appui et la reporter sur d'autres.
Un tirant peut être scellé dans un point d'appui pourvu de répartiteurs des efforts de traction exercés par le dit tirant.
Grâce à l'invention, on obtient une structure de maçonnerie renforcée de façon considérable dans la mesure où sa raideur est proportionnelle au cube de la hauteur de sa section travaillante.
L'invention est parfaitement adaptée à toute structure dont la surface inférieure doit être protégée, tant pendant les travaux de renforcement qu'à l'issue de ceux-ci.