Les scientifiques de l'Empa sauvent des ponts en fer du XIXe siècle de l'effondrement. Les plâtres en fibre de carbone renforcent les structures en ruine. Un pont ferroviaire en Suisse et un pont routier en Australie ont déjà été renforcés avec succès. De nombreux ponts historiques pourraient suivre. Les "Partners in crime" sont des spécialistes de la fatigue de l'acier à l'EPFL.

Entretenir, ne pas jeter - pas seulement vrai pour les villas art nouveau, voitures de sport d'avant-guerre ou orgues Hammond des années 50, 'maintenir, ne pas mettre au rebut» est également une bonne idée pour les anciens ponts ferroviaires ou routiers. Ces monuments industriels, souvent conçu et calculé par les ingénieurs de la construction métallique du 19ème siècle, rouillent silencieusement ou grincent de manière audible sous le poids des trains Intercity modernes et des camions lourds.

La bonne nouvelle est qu'ils peuvent être sauvés. Une entretoise de support en CFRP (polymères renforcés de fibres de carbone), apposée de manière réversible sur le pont et conformément à la réglementation en matière de protection des monuments, renforce la résistance des structures anciennes, en les rendant sûrs et en les aidant à survivre mieux et plus longtemps à l'usure quotidienne.

Méthode douce pour les structures lourdes

Masoud Motavalli et Elyas Ghafoori ont déjà contreventé deux ponts anciens selon 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 réalise une percée mondiale, il y aurait beaucoup de travail à faire :environ 30 % de tous les ponts en Europe ont plus de 100 ans. La situation est similaire aux États-Unis, Australie et Japon. Les autorités routières et les compagnies de chemin de fer sont à la recherche mondiale de méthodes pour maintenir ces structures viables. Et il est possible que l'Empa détienne la clé. Le partenaire de recherche de l'Empa est Alain Nussbaumer. A l'EPFL, il mène des recherches sur la mécanique de la fatigue et de la rupture des structures en acier. Nussbaumer supervise également les thèses en cours à l'Empa dans le cadre de ces projets de recherche.

Le CFRP est souvent le matériau de choix pour le renforcement des structures. Il est résistant à la rouille et ne présente aucune fatigue matérielle. Il est également léger et n'alourdit pas la structure avec un poids supplémentaire de la même manière que le renforcement en acier. Sous son ancien PDG, Urs Meier, L'Empa a accumulé une grande expérience dans les années 90 avec les armatures CFRP des constructions en béton et en bois.

Une ancre au lieu de colle

Contrairement au bois ou au béton, cependant, où le renfort CFRP peut être simplement collé, il est considérablement plus compliqué de le fixer sur de vieilles poutres en acier. Souvent, les poutres du pont sont rouillées ou recouvertes d'épaisses couches de peinture. Parfois, des rivets dans les poutres en acier empêchent le collage des plâtres CFRP en douceur. Ghafoori contourne ces problèmes en fixant les plaques au pont à l'aide d'ancrages plutôt que de coller le PRFC directement sur le pont. Cela signifie qu'il n'est pas nécessaire de poncer en douceur de grandes surfaces. Un bonus supplémentaire :le pont n'a pas besoin d'être fermé à la circulation lors du montage des bandes CFRP. De même, le pont n'a pas besoin d'être enveloppé dans un film - quelque chose qui est souvent nécessaire avec les vieux ponts qui enjambent les rivières pour empêcher les éclats de peinture contenant des métaux lourds de tomber dans l'eau.

Les ancrages que Ghafoori utilise pour attacher ses pansements en PRFC ne sont pas si faciles à recréer. "Il est important que les fibres de carbone ne se cassent pas lors de la fixation du CFRP", dit Ghafoori. Il expérimente cette technique à l'Empa depuis plus de dix ans et utilise les lourdes presses hydrauliques du hall de construction pour ses expérimentations. "Ce n'était pas facile au début", raconte le chercheur. "Lorsque je testais les premières ancres dans un essai de traction pour mon mémoire de maîtrise en 2009, ils sont tombés du jour au lendemain. Cela ne m'a pas vraiment valu le respect de mes collègues. On m'a même interdit de visiter le labo pendant quelques jours, car mon travail était considéré comme trop dangereux."

Entre-temps, le système d'ancrage développé à l'Empa est protégé par brevet et a depuis longtemps surmonté ses problèmes de jeunesse :le pont de Münchenstein a été renforcé avec des enduits CFRP précontraints en 2015. Plusieurs dizaines de trains de voyageurs et de marchandises roulent chaque journée. Un système de surveillance à long terme comprenant un réseau de capteurs sans fil mesure la charge et les mouvements des éléments du pont et fournit les données à l'Empa en temps réel.

Préparé pour toutes les occasions

Des nouvelles du projet, qui a également fourni le sujet du doctorat de Ghafoori. thèse, se répandre rapidement dans les cercles d'experts. Par conséquent, un pont très similaire en Australie a été renforcé en utilisant le système CFRP en janvier 2018 :le Diamond Creek Bridge, vieux de 122 ans, près de Melbourne. "Nous avons beaucoup appris depuis Münchenstein", dit Ghafoori. Par exemple, les chercheurs ont pu améliorer la forme des ancrages et rendre l'ensemble de la construction plus plat. C'est important, parce que de nombreux ponts ont des camions qui passent sous eux. Si l'attelle se projetait trop vers le bas, les remorques hautes en particulier pourraient entrer en collision avec la nouvelle technologie.

L'équipe a également intégré les fluctuations de température entre l'été et l'hiver dans le calcul :les mesures sur le pont de Münchenstein ont montré que le renforcement en CFRP du pont est beaucoup plus efficace lors des chaudes journées d'été qu'en hiver. La raison en est que la chaleur estivale provoque l'expansion du pont en acier, mais la longueur du renfort CFRP reste pratiquement la même. Cela signifie que le pont est maintenu plus fermement par son contreventement en été qu'en hiver.

Diamond Creek Bridge dispose également de 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 ont envoyé un camion de 42 tonnes sur le pont avant et après avoir fixé les bandes de CFRP. "Les données initiales ont montré que les forces agissant sur le pont sont réduites de moitié", dit Ghafoori. "En tant qu'estimation prudente, cela pourrait signifier que la durée de vie restante du pont est doublée."

Des ponts à l'épreuve du temps

De nos jours, Ghafoori et Motavalli reçoivent de plus en plus de visites de l'étranger. L'Institut français des sciences et techniques des transports, développement et réseaux (IFSTTAR), le centre français de mobilité (CEREMA) et une délégation chinoise ont tous annoncé leur intention de venir, tandis qu'une délégation américaine a déjà visité l'Empa. La méthode peut être utilisée partout dans le monde sans trop d'efforts. "Pour l'Australie, nous avons préassemblé les clips avec les bandes CFRP et les avons testés ici à l'Empa. Ensuite, nous les avons simplement envoyés sur le chantier par colis postal", dit Ghafoori. "Nous avons juste dû nous envoler plus tard et tout assembler sur place."

Bien entendu, les chercheurs souhaitent approfondir leurs connaissances. Ayant déjà renforcé des poutres droites en acier, l'objectif est désormais de renforcer également les connecteurs en X entre les poutres. Les points de rencontre des joints soudés et des joints de raccordement sont particulièrement sujets à la rouille et c'est également là que des fissures de fatigue apparaissent qui peuvent rendre le pont instable. Un nouveau système de bande CFRP pourrait bientôt résoudre ce problème. Ce type de support pourrait rendre de nombreux ponts en acier du XIXe siècle à l'épreuve du temps, leur permettant de survivre de manière significative à leurs homologues plus jeunes en béton armé.