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Des ponts en composites !

Christian Guyard

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- Les composites ont fait leurs preuves dans l'automobile, la construction navale, l'aéronautique, les canalisations. Ils gagnent du terrain aux États-Unis, pour la fabrication des ponts. La France reste en retrait.

Le 29 octobre 2002, un char Sherman de 34 tonnes franchissait le pont de West Mill dans l'Oxfordshire (Grande-Bretagne). Ce n'était pas pour les besoins d'un film. Seulement pour une épreuve de charge. Et c'était à l'occasion de l'inauguration du premier pont routier en composites fabriqué et installé en Europe : 10 mètres entre appuis, 6,8 m de large, une capacité de charge de 40 tonnes pour remplacer un pont du xixe siècle. Depuis, il supporte un trafic de 1 200 véhicules par jour, et le passage de gros camions semi-remorque de 44 tonnes. Le pont pèse 37 tonnes (12 t de composites) soit le tiers d'un pont équivalent en béton. Il s'agit d'un prototype issu du projet Asset (programme Brite Euram).

Pour la réhabilitation d'ouvrages d'art

L'opération est représentative des besoins de réhabilitation d'ouvrages d'art vieillissants et inadaptés au trafic actuel, et des possibilités offertes par les composites. Le problème se pose de la même manière aux États-Unis où plus de 40 % des ponts sont déclarés déficients ou obsolètes. L'intérêt pour les ponts composites dans ce pays est stimulé par un groupe de travail qui réunit des représentants de l'administration fédérale des autoroutes, le Département d'État aux transports et les professionnels de la construction, notamment le Composites Fabricators Association (CFA). En Europe l'initiative Cobrae (Composite Bridges Alliance Europe) s'est donné un but comparable : faire se rencontrer le monde des composites et celui du génie civil et définir ensemble les besoins, fixer des directions de travail et des objectifs.

Les composites ont fait leurs preuves en aéronautique, construction navale et offshore. Pourquoi pas en génie civil ? « Le temps est venu de faire un usage efficace des composites dans l'ingénierie des ponts », déclarait Charles Seim, vice-président de T.Y. Lin International (société réputée dans la construction de ponts), lors d'une réunion Cobrae, il y a un an.

Le mouvement est lancé mais se heurte à des obstacles à la fois techniques et "administratifs". Techniques parce que les composites sont encore très jeunes face à la durée de vie affichée des ouvrages d'art (100 ans). Administratifs, par manque de volonté de la part des donneurs d'ordres (les administrations dans la plupart des pays). C'est particulièrement le cas en France où les services de l'État ont conçu des règles de construction d'ouvrages contraignantes dont les performances sont reconnues dans le monde mais qui, d'une certaine manière, bloquent l'innovation ; d'un autre côté, le secteur privé, qui met en oeuvre ces règles, reste très préoccupé par la rentabilité à court terme et ne souhaite pas plus que cela s'investir dans du développement à long terme avec les risques que cela comporte.

Les composites, pourtant, ont de bons arguments à faire valoir : excellentes propriétés mécaniques, légèreté, rapidité de mise en place (quelques jours contre des semaines voire des mois en classique), résistance à la corrosion, à la fatigue, maintenance légère...

Rénovation ou création ?

La réduction des frais d'entretien (pas de corrosion), la facilité de surveillance (le pont de West Mill est instrumenté dès l'origine avec fibres optiques et jauges de contraintes) devraient peser aux yeux des administrations. En outre, le coût actuel des matières n'est pas aussi élevé que l'on peut le penser et, de toute manière, leur prix baissera avec l'accroissement du marché.

Alors, les composites vont-ils remplacer les matériaux existants ? S'appliqueront-ils aux nouveaux ponts ou se limiteront-ils à la rénovation ? Ces matériaux sont loin d'être des inconnus pour le génie civil. Depuis une bonne quinzaine d'années, ils ont fait leurs preuves dans la réparation, la maintenance et le renforcement d'ouvrages (accroissement de la capacité de charge) sous la forme de tissus et de plaques composites collées sous tabliers, des poutres, des piliers. Cette solution rapide de mise en oeuvre est utilisée pour la reconsolidation d'ouvrages de bâtiments après un séisme. Leur légèreté les a fait apprécier en rénovation, ce qui permet de conserver des ponts anciens auxquels les riverains sont attachés.

Autre application, les suspentes, comme sur la passerelle piétonne à Laroin (Pyrénées-Atlantiques) réalisée par Freyssinet. Ses haubans en fibre de carbone sont trois fois plus légers que leur équivalent en acier.

Enfin, une activité qui se développe particulièrement en Amérique du Nord est l'utilisation d'une armature en composites pour béton armé (pont de 60 m sur la Trout River au Canada, fin 2003).

Avec cela, on reste là dans de la construction "classique". Pour aller plus loin, il faut que les composites se mettent à la portée du génie civil en proposant les produits adéquats : poutres, éléments de tablier, moyens d'assemblage... Les constructeurs de ponts, particulièrement en Amérique du Nord, utilisent beaucoup les poutres et treillis métalliques et verraient bien une substitution de matériaux ce qui offre l'avantage d'un lancement rapide du marché, ce qui est en train de se passer. « Ce faisant, on ne profite pas réellement des propriétés des composites, le pont n'étant qu'un empilage de différents matériaux alors que l'on peut profiter beaucoup plus des propriétés de chacun des matériaux (acier et composites) en utilisant, par exemple, le collage », explique Till Vallée du Composite Construction Laboratory (CCLab), à l'École polytechnique fédérale de Lausanne.

Durabilité, une inconnue

Reste le problème du manque de recul pour ce qui concerne la durabilité. Aux États-Unis, le Cerf (Civil Engineering Research Foundation, de l'American Society of Civil Engineers) a réalisé en 2001 une étude pour identifier les domaines critiques dans lesquels il faut acquérir (ou rassembler) des données (effets de l'humidité, des solutions salines, de la chaleur, des UV, du feu...). En France, la Drast (ministère de l'Équipement) a lancé une étude de faisabilité d'un projet de recherche sur les matériaux composites qui devrait sortir fin 2004. Le CCLab, quant à lui, démarre cet été des essais de durabilité (vieillissement) des collages.

Au niveau industriel, en revanche, tout semble en place : les matières premières existent (fibres, résines), les méthodes de fabrication (pultrusion), les méthodes de calcul aussi tout comme les méthodes d'assemblage (collage, boulonnage). La pultrusion est une technique de fabrication en continu de profilés ouverts ou de caissons dont les dimensions sont conséquentes : longueur à la demande, section de plus de 50 cm ; il existe déjà une norme pour ces profilés (EN 13706), poussée par le pultrudeur Fiberline qui a, de sa propre initiative, développé aussi un manuel de conception complet destiné aux architectes et ingénieurs.

Les sociétés les plus actives en Europe sont Fiberline, Creative Pultrusions. L'américain Martin Marietta, très actif, est aussi membre de Cobrae. Il a développé le système Duraspan (en collaboration avec Creative Pultrusions) de construction de tabliers de ponts, issu de recherches aéronautiques et se révèle très offensif (près d'une trentaine de références aux États-Unis).

La solution médiane du multimatériau

Le mouvement est en tout cas bel bien lancé, aux États-Unis notamment sur les ponts routiers. Mais les obstacles ne se limitent pas à la technologie. Patrice Hamelin, qui dirige le Laboratoire mécanique matériaux et structure (L2MS) à l'université de Lyon, et prépare l'étude de faisabilité pour le Projet national Comac Matériaux et structures composites pour le génie civil, souligne l'énorme remise en cause que les composites imposent à l'acte de conception et de construction d'un pont. « Il faut absolument impliquer les producteurs de matières premières, les transformateurs, et les constructeurs et bureaux d'études, comme pour les matériaux traditionnels. Je crois beaucoup à l'optimisation des infrastructures existantes en matériaux traditionnels en se servant des composites pour optimiser leurs performances ; un axe majeur de développement est le multimatériau, combinaison intelligente, dès la conception, de composites et de matériaux traditionnels. Il ne faut pas oublier aussi l'implication des acteurs vis-à-vis des clauses de garantie et d'assurances des ouvrages. La réglementation européenne évolue notablement. » Si les composites sont prometteurs en génie civil, ils progresseront au rythme du changement culturel, comme en aéronautique.

MARTIN MARIETTA UN AMÉRICAIN TRÈS ACTIF

- Martin Marietta Composites (MMC) a installé 26 tabliers de ponts en composites aux États-Unis, en Allemagne et en Corée. Dernier mis en service, le Chief Joseph Dam Bridge (État de Washington) mesure 94,2 m de long pour une surface de 919 m2. Originalité, ses poutres sont en bois. Matt Sams, ingénieur chez MMC, note une demande du marché pour des ponts urbains à fort trafic qu'il faut rénover. « Les composites ont des avantages clés : légèreté, résistance à la corrosion, rapidité d'installation. Nous prévoyons un grand marché pour les ponts mobiles, urbains et ceux d'intérêt historique. Un gain de poids intéressant Les composites ont aussi leur place dans de grands ouvrages où ils apportent un gain de poids qui se répercute sur toute la structure du pont. Malgré tout, il est encore trop coûteux de produire de très longues poutres satisfaisant au critère de flexion, acier et béton sont meilleurs. Nous sommes optimistes pour le marché européen : le Royaume-Uni publie une spécification pour les ponts composites et la Suisse pourrait financer des projets pilotes en 2004-2005. »

LES ÉTATS-UNIS À L'AVANT-GARDE

- 176 ponts routiers en composites dans le monde (135 aux États-Unis) et 161 passerelles pour piétons (121 aux États-Unis). Ces chiffres fournis par la fédération américaine des composites, au travers du Market Development Alliance (en avril 2003) montrent la très nette avance des États-Unis. On sent une nette accélération depuis 1997. Des actions volontaires sont menées aux États-Unis au travers d'actions concertées entre les pouvoirs publics et les sociétés de génie civil.

L'EUROPE SUIT LE MOUVEMENT

Avec l'association Cobrae (Composite Bridges Alliance Europe), créée en avril 2000 par l'EPTA (European Pultrusion Technology Association, calquée sur MDA), qui a lancé le programme European Composite Bridge Initiative (ECBI) fin 2002. Quatre projets d'ouvrage sont déposés, pas un n'émane de la France, ce qui désole les organisateurs.

À L'ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE LAUSANNE DES ESSAIS GRANDEUR NATURE

- Le Composite Construction Lab (CCLab), dirigé par Thomas Keller au sein de l'institut de technique du bâtiment, à l'École polytechnique fédérale de Lausanne, est sans doute le laboratoire européen le mieux équipé en moyens d'essais de structures composites. Les propriétés des composites valorisées La philosophie du laboratoire est de travailler autant que possible à l'échelle 1. « Les machines d'essais travaillent sur des éléments grandeur nature ou à échelle 1/2. Ainsi nous n'avons pas à chercher de lois d'extrapolation toujours délicates pour des matériaux composites », déclare Till Vallée du CCLab. Les recherches portent sur tout type de constructions : ponts, bâtiments et autres structures (mur antibruit). L'idée directrice est de profiter à plein des propriétés des composites par des formes et des techniques d'assemblage spécifiques adaptées aux composites et ainsi de les introduire intelligemment dans les constructions.

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