Peut-on renforcer un mur en maçonnerie après un séisme ?

Après un séisme, l’apparition de fissures dans un bâtiment soulève une question importante : certaines structures endommagées peuvent-elles être renforcées de manière à améliorer certaines de leurs performances ? Cette question ne peut pas recevoir une réponse générale. Tout dépend du système structural, de la qualité de la construction, de la nature des dommages et de nombreux autres paramètres.

C’est dans ce cadre que Cyprien Lubin, Hector Guerrero, Sergio M. Alcocer et Oscar Lopez Batiz ont étudié expérimentalement plusieurs techniques de réhabilitation appliquées à des murs en maçonnerie confinée. Les chercheurs ont construit et testé 13 murs à échelle grandeur nature. Onze d’entre eux ont d’abord été endommagés en laboratoire avant d’être réhabilités. Les murs Les chercheurs ont ensuite été soumis les murs à des forces cycliques réversibles afin d’évaluer leur résistance, leur capacité de déformation, leur rigidité, leur fissuration et leur dissipation d’énergie.

Caractéristiques d’un mur en maçonnerie confinée ?

Un mur en maçonnerie confinée est constitué d’un panneau de maçonnerie — par exemple en briques — entouré d’éléments en béton armé. La construction se fait généralement en plusieurs étapes. Le panneau de maçonnerie est d’abord construit. Les éléments verticaux et horizontaux en béton armé sont ensuite coulés autour de celui-ci. Une bonne pratique de construction consiste à laisser un bord dentelé dans le panneau de la maçonnerie pour améliorer l’adhérence entre celui-ci et l’élément de confinement vertical. Ces éléments de confinement sont notamment disposés aux extrémités des murs, aux intersections ainsi qu’autour de certaines ouvertures. Ils contribuent à améliorer la résistance du mur aux forces latérales et sa capacité à se déformer sans perdre brutalement sa capacité portante. Lors d’un séisme, cette association entre maçonnerie et éléments de confinement joue donc un rôle important.

Pourquoi les murs se fissurent-ils pendant un séisme ?

Le poids d’un bâtiment agit principalement verticalement. Un séisme introduit cependant des mouvements horizontaux qui font osciller la structure dans un sens puis dans l’autre. Les murs doivent alors résister à des forces latérales répétées. Lorsque ces sollicitations deviennent suffisamment importantes, des fissures apparaissent dans la maçonnerie, puis se propagent jusqu’aux éléments de confinement. Certaines peuvent se développer suivant une direction diagonale. À mesure que les déplacements augmentent, les fissures peuvent s’élargir et les propriétés du mur peuvent se dégrader.

Pour décrire cette déformation, les ingénieurs utilisent notamment la dérive latérale, ou drift. Elle correspond au déplacement horizontal du sommet du mur divisé par sa hauteur. Ainsi, un mur de 2,50 m de hauteur dont le sommet se déplace de 12,5 mm présente une dérive de 0,5 %. Cette grandeur permet de comparer la capacité de déformation de différents murs indépendamment de leur hauteur.

Réparer un mur ne consiste pas seulement à cacher ses fissures

Après un séisme, reboucher une fissure ne suffit pas nécessairement pour restaurer les performances structurales d’un mur. La réhabilitation structurale vise à intervenir sur le mur afin d'améliorer son comportement mécanique. L’une des techniques étudiées consiste à ajouter une nouvelle couche résistante à la surface du mur. Dans le cas du renforcement avec un treillis métallique soudé, la surface de la maçonnerie est d’abord rendue rugueuse. Un treillis métallique est ensuite fixé au mur avant d’être recouvert de mortier.

Dans les essais présentés dans l’étude, la surface de la maçonnerie était rendue rugueuse jusqu’à une amplitude d’environ 6 mm. Le treillis était ensuite fixé à l’aide de fils ou de clous métalliques espacés de 450 mm avant l’application du mortier. Le principe est relativement simple : le mur existant et la nouvelle couche renforcée doivent travailler ensemble pour mieux résister aux sollicitations latérales.

Plusieurs techniques ont été comparées

Les chercheurs ne se sont pas limités à une seule solution. Ils ont notamment étudié des renforcements utilisant :

• du mortier associé à un treillis métallique soudé ;
• du mortier renforcé par des fibres métalliques ;
• du mortier renforcé par des fibres synthétiques ;
• un treillis en fibre de verre associé à un mortier prémélangé ;
• des combinaisons de treillis métallique et de fibres ;
• des contreventements à flambement empêché, ou BRB (Buckling-Restrained Braces).

Certains murs ont été renforcés sur leurs deux faces, tandis que d’autres ne l’ont été que sur une seule. Les chercheurs ont également fait varier le diamètre des fils du treillis et certains systèmes d’ancrage. L’objectif n’était donc pas simplement de déterminer si une réparation était possible, mais de comprendre comment différentes solutions influencent la résistance, la rigidité, la capacité de déformation, la fissuration et la dissipation d’énergie du mur.

Treize murs grandeur nature mis à l’épreuve

Pour réaliser l’étude, 13 murs en maçonnerie confinée ont été construits à l’échelle réelle au laboratoire des structures à grande échelle du Centre national de prévention des catastrophes du Mexique, le CENAPRED. Chaque mur mesurait 2,50 m de hauteur sur 2,50 m de longueur, pour une épaisseur de 120 mm. Les panneaux étaient construits avec des briques pleines en argile. Une particularité importante de l'expérience est que les chercheurs ne se sont pas contentés de renforcer des murs neufs mais aussi des murs endommagés.

Onze des treize murs ont d’abord été endommagés, puis réhabilités. Les deux autres ont été renforcés sans avoir été préalablement endommagés. Cette distinction permet notamment d’étudier une question importante : un mur déjà fissuré peut-il, après réhabilitation, retrouver des performances comparables à celles d’un mur renforcé avant d’être endommagé ?

Comment simuler l’action d’un séisme en laboratoire ?

Les chercheurs n’ont évidemment pas provoqué un véritable tremblement de terre autour des murs. Ils ont utilisé un vérin hydraulique pour appliquer des forces horizontales réversibles alternativement dans les deux sens du mur (de gauche à droite et de droite à gauche). Une charge verticale constante de 150 kN était également appliquée au mur, produisant une contrainte verticale de 0,5 MPa. Selon les auteurs, cette valeur correspond approximativement à celle pouvant être rencontrée dans un mur situé au rez-de-chaussée d’un bâtiment en maçonnerie de cinq étages au Mexique.

Les déplacements horizontaux étaient ensuite progressivement augmentés. Le mur était donc poussé dans un sens, ramené, puis sollicité dans l’autre sens. Cette , et cette opération était répétée avec des amplitudes de plus en plus importantes. C’est ce qu’on appelle un chargement cyclique inversé. Ce type d’essai permet d’observer comment le mur se fissure, perd progressivement de sa rigidité, dissipe de l’énergie et finit éventuellement par atteindre sa capacité ultime.

Les murs réhabilités deviennent-ils réellement plus résistants ?

Les résultats montrent une amélioration importante non seulement de la capacité du mur à résister aux forces latérales mais aussi de sa capacité à se déformer. Dans l’ensemble du programme expérimental, les différentes techniques de réhabilitation ont permis d'augmenter la capacité résistante des murs de 84 % en moyenne. Leur capacité de déformation avait également tendance à doubler. Cette augmentation apparaît clairement lorsque les auteurs comparent la résistance maximale des murs avant et après la réhabilitation. Plusieurs murs d'origine présentaient des résistances de l'ordre de 150 kN. Après la réhabilitation, plusieurs spécimens atteignaient environ 300 kN ou davantage. Mais augmenter la résistance n’est qu’une partie du problème.

Un mur doit aussi pouvoir se déformer

Pendant un séisme important, empêcher toute déformation d’une structure est généralement irréaliste. Il faut donc également s’intéresser à la capacité du mur à supporter des déplacements importants avant de perdre sa capacité. Les essais montrent que la plupart des murs réhabilités ont atteint des dérives ultimes comprises entre 0,015 et 0,020, soit environ 1,5 à 2 %. À titre de comparaison, les auteurs rappellent que la norme sismique de Mexico limite la dérive à 0,005 pour la maçonnerie confinée conventionnelle et à 0,010 lorsqu’un renforcement horizontal est présent dans les joints. Les essais montrent ainsi que la réhabilitation peut considérablement augmenter la capacité du mur à subir des déformations importantes.

Des fissures plus nombreuses peuvent parfois être préférables à quelques grandes fissures

Un autre résultat intéressant concerne la manière dont les murs se fissurent. Dans plusieurs murs d'origine, les dommages avaient tendance à se concentrer dans quelques grandes fissures diagonales au centre du panneau du mur. Après le renforcement avec du mortier et un treillis métallique soudé, les chercheurs ont plutôt observé une distribution plus uniforme de fissures de plus faible largeur.

Cela illustre un principe important. Une structure qui présente une seule fissure importante concentre une grande partie de sa déformation dans une zone limitée. Lorsque de nombreuses petites fissures se répartissent sur une plus grande surface, les dommages peuvent être mieux distribués. Les mesures effectuées pendant les essais montrent d'ailleurs que les fissures des murs réhabilités étaient, en moyenne, 55 % moins larges que celles observées sur les murs d'origine.

Un mur déjà endommagé peut-il être aussi performant qu’un mur renforcé avant le séisme ?

Les essais permettent également de répondre partiellement à cette question. Deux comparaisons ont été réalisées entre des murs renforcés de manière similaire, mais dont certains avaient été préalablement endommagés. Pour les murs utilisant un treillis métallique de calibre 10, le spécimen renforcé sans dommage préalable a atteint 340 kN, contre 285 kN pour celui qui avait été endommagé avant sa réhabilitation.

Avec le treillis de calibre 8, les valeurs étaient respectivement de 340 kN et 297 kN. Les auteurs constatent ainsi des différences de résistance de 19 % et 15 % en faveur des murs qui n’avaient pas subi de dommages préalables. La réhabilitation améliore donc considérablement le comportement d’un mur endommagé, mais les dommages qu'il a déjà subis ne deviennent pas nécessairement sans conséquence.

Le treillis métallique apparaît comme une solution particulièrement intéressante

Parmi les différentes techniques étudiées, le renforcement par treillis métallique soudé recouvert de mortier présente plusieurs résultats intéressants. Dans la majorité des cas étudiés, la résistance et la capacité de déformation des murs renforcés par cette méthode étaient approximativement deux fois supérieures à celles des murs d'origine.

Le treillis métallique a également obtenu de meilleures performances en résistance que la solution utilisant un treillis en fibre de verre. Les deux techniques ont produit des capacités de déformation maximales relativement similaires, mais les murs renforcés avec le treillis métallique présentaient une résistance environ 25 % supérieure. Les auteurs considèrent également la solution métallique plus avantageuse lorsqu'on prend en compte son coût.

La solution la plus performante n’est pas nécessairement la plus économique

L’étude ne s’arrête pas aux performances mécaniques. Les chercheurs ont également comparé les coûts des différentes techniques.Le système utilisant le BRB de plus grande capacité a produit la résistance maximale parmi les spécimens testés, dépassant 500 kN. Mais il faisait également partie des solutions les plus coûteuses.

En considérant conjointement le coût, la résistance et l’énergie dissipée, les auteurs identifient comme particulièrement économique la combinaison treillis métallique soudé + fibres synthétiques ou métalliques + mortier. Ce résultat rappelle qu’en pratique, le choix d’une technique de réhabilitation ne repose pas uniquement sur la recherche de la résistance maximale. Le coût, les matériaux disponibles, les techniques de construction, l’état initial du bâtiment et les performances recherchées doivent également être considérés.

À retenir

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