Livre Béton armé

CONSTRUCTION

Construire en béton armé Réf. Internet : 43805

T E C H N I Q U E S

D U

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Techniques de l'Ingénieur

B AT I M E N T

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Cet ouvrage fait partie du pack Techniques du bâtiment : l'enveloppe du bâtiment (Réf. Internet ti264) composé des bases documentaires suivantes :

Techniques du bâtiment : Connaître les matériaux de la construction

Réf. Internet : 43804

Techniques du bâtiment : Construire en béton armé

Réf. Internet : 43805

Techniques du bâtiment : Construire métallique

Réf. Internet : 43806

Techniques du bâtiment : Construire avec des matériaux naturels

Réf. Internet : 43807

Techniques du bâtiment : Les charpentes

Réf. Internet : 43808

Techniques du bâtiment : Les couvertures

Réf. Internet : 43809

Techniques du bâtiment : Les toitures-terrasses

Réf. Internet : 43810

Techniques du bâtiment : Les fenêtres et portes

Réf. Internet : 43818

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Cette base documentaire fait partie du pack Techniques du bâtiment : l'enveloppe du bâtiment (Réf. Internet ti264) dont l'expert scientifique est :

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Techniques du bâtiment : Construire en béton armé Réf. Internet 43805

SOMMAIRE



1 – Technique du béton armé

Réf. Internet

Présentation du béton armé

TBA1100

11

Les matériaux constitutifs du béton armé

TBA1105

13

Les granulats courants pour béton

TBA1110

17

Les granulats légers

TBA1112

23

Les bases de calcul du béton armé

TBA1120

29

L'adhérence béton - acier

TBA1125

33

Les éléments en traction

TBA1130

37

Les éléments en compression

TBA1132

39

Le béton armé aux Eurocodes

TBA1140

43

2 – La préfabrication

Réf. Internet

Les procédés des composants industriels

TBA1200

51

L'économie du projet

TBA1210

55

La préfabrication : point de vue de l'entrepreneur

TBA1215

59

Préfabrication : études de cas

TBA1220

63

Les produits préfrabiqués en béton

TBA1225

69

3 – Les fondations

Réf. Internet

Les différents types de fondations

TBA1250

79

Les fondations par semelles

TBA1260

81

Les fondations superficielles par semelles

TBA1261

83

Les fondations par semelles filantes

TBA1262

87

Les fondations par radiers et cuvelages

TBA1263

91

Les fondations profondes

TBA1265

95

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Techniques du bâtiment : Construire en béton armé Réf. Internet 43805

1

1 – Technique du béton armé

Réf. Internet

Présentation du béton armé

TBA1100

11

Les matériaux constitutifs du béton armé

TBA1105

13

Les granulats courants pour béton

TBA1110

17

Les granulats légers

TBA1112

23

Les bases de calcul du béton armé

TBA1120

29

L'adhérence béton - acier

TBA1125

33

Les éléments en traction

TBA1130

37

Les éléments en compression

TBA1132

39

Le béton armé aux Eurocodes

TBA1140

43

2 – La préfabrication 3 – Les fondations

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1

10

Référence Internet TBA1100

Présentation du béton armé

I – Historique ............................................................................................... II – Principe du béton armé ........................................................................ III – Domaine d’emploi................................................................................ IV – Exécution d’un ouvrage en béton armé............................................. V – Les textes réglementaires : les normes .............................................. VI – Sites internet à consulter ....................................................................

TBA1100 - 2 — 2 — 2 — 3 — 3 — 4

a première structure en béton armé a été conçue en 1855 par l’ingénieur français Joseph Lambot. Depuis cette date, ce matériau s’est fortement répandu dans le domaine de la construction : bâtiments, ponts, murs de soutènement… en sont constitués. Le domaine des arts n’est pas en reste puisque certains ouvrages sont réalisés, entièrement ou partiellement, en béton armé, comme la structure du Christ Rédempteur de Rio de Janeiro ou l’église du Raincy. Ses multiples avantages sont à l’origine de son succès à l’échelle mondiale. Cet article est le premier d’une série consacrée au béton armé. Il a pour objectif de faire une brève présentation de ce matériau : après un rappel du principe de ce type de béton, cet article décrit ses avantages et inconvénients, les emplois possibles, ainsi que la normalisation en vigueur. Le lecteur est invité à consulter les articles suivants : Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140.

Mars 2006

L

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I.

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TBA1100 - 1

1

1

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Référence Internet TBA1105

Les matériaux constitutifs du béton armé 1.

2.

Les armatures ........................................................................................... I – Les différents types d’armatures .......................................................... II – Caractéristiques des armatures pour béton armé.............................. III – Diagramme déformation-contrainte jusqu’à rupture des ronds lisses et aciers à haute adhérence (HA) ........................................................ IV – Diagramme de calcul........................................................................... V – Contrainte limite des aciers tendus HA de nuance Fe E 500............. VI – Dispositions constructives .................................................................. Le béton ..................................................................................................... I – Les constituants du béton ..................................................................... A. Le ciment ............................................................................................. B. Les granulats ....................................................................................... C. L’eau ..................................................................................................... D. Les adjuvants....................................................................................... II – La mise en œuvre.................................................................................. III – Propriétés du béton ............................................................................. A. Les qualités .......................................................................................... B. Les caractéristiques du béton............................................................. IV – Diagramme contrainte-déformation du béton .................................. V – Principaux essais sur béton ................................................................. A. Essai sur le béton frais........................................................................ B. Essais sur le béton durci en éprouvettes normalisées..................... C. Essais sur le béton durci de l’ouvrage............................................... VI – Les déformations du béton ................................................................. A. Les déformations indépendantes des charges appliquées ............. B. Les déformations du béton sous les charges ...................................

TBA1105 - 2 — 2 — 4 — — — —

4 5 5 6

— — — — — — — — — — — — — — — — — —

10 10 10 11 12 12 12 12 12 13 13 15 15 15 16 16 16 17

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Mars 2006

e béton armé est caractérisé par sa grande résistance à la compression et à la traction. Facile de mise en œuvre, c’est un matériau de choix pour la réalisation de nombreux ouvrages. Cette propriété, très particulière, est due à l’association de deux matériaux complémentaires : le béton pour sa résistance à la compression et l’acier pour sa résistance à la traction. Bien que sa fabrication soit plutôt simple, certaines règles doivent être respectées. En effet, l’eau, le ciment, les adjuvants et les granulats qui constituent le béton sont, par exemple, soumis à des normes. De même, les armatures utilisées ont des caractéristiques géométriques et mécaniques spécifiques dont il faut tenir compte. Cet article a pour objectif de dresser un panorama des informations essentielles relatives à ces deux matériaux : les types de ciments, de granulats, d’armatures, les propriétés du béton, les caractéristiques géométriques et mécaniques des armatures, les diagrammes contrainte-déformation des aciers et du béton,... Différents tests à réaliser pour s’assurer de la bonne consistance du béton (affaissement au cône d’Abrams) et vérifier sa résistance à la compression/traction sont exposés en fin d’article. Cet article fait suite à l’article Présentation du béton armé TBA1100. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

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TBA1105 - 1

1

Référence Internet TBA1105 LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS DU BÉTON ARMÉ

1

Les armatures

1 I - LES

DIFFÉRENTS TYPES D’ARMATURES

Il existe différents types d’armatures. Leur qualité est contrôlée par la commission interministérielle d’homologation et de contrôle des armatures pour béton armé instituée par l’arrêté du 29 mars 1983. Les ronds lisses – Les ronds lisses sont des aciers doux laminés à chaud. Ils existent en deux nuances et sont caractérisés par leur limite d’élasticité désignée par feE : • FeE 22 qui est la notation européenne et correspond à la notation française : FeE 215, soit fe = 215 MPa. Ils sont utilisés pour les armatures secondaires (cadres, étriers, épingles) (cf. Fig. 1). • FeE 24 = FeE 235, soit fe = 235 MPa. Ils sont utilisés pour des cas particuliers ainsi que sur chantier pour les crochets de levage et lorsqu’il faut procéder au pliage et au dépliage d’armatures (d’un diamètre supérieur à 10 mm). Afin de les distinguer des feE 22, le bout de la barre est peint en rouge. Le soudage à l’arc électrique est permis sur le chantier (cf. Fig. 2).

Fig. 2 : Pliage-dépliage d’un acier doux.

Les fils et barres existent en deux nuances : • FeE 40 (notation européenne) = FeE 400 (notation française) : cette nuance n’est presque plus utilisée ;

Fig. 1 : Cadre, étrier et épingle.

• FeE 50 = FeE 500 : leur emploi est très courant.

Les aciers à haute adhérence HA – Les aciers HA comportent des reliefs de surface qui améliorent la liaison acier-béton (cf. Fig. 3).

Il existe plusieurs types d’armature HA : • Les barres et fils machines de type 1 : ce type d’armature est obtenu par laminage à chaud d’un acier dur naturellement, comme l’acier Welbond. C’est le type d’acier le plus utilisé dans les ouvrages courants de béton armé pour les armatures principales.

Le soudage à l’arc électrique est interdit sur le chantier car le chauffage des barres modifie leurs caractéristiques mécaniques (sauf exception stipulée par le fabricant).

• Les fils machines de type 3 : ce type d’armature est obtenu par laminage à chaud suivi par un écrouissage. L’acier TOR est obtenu par écrouissage par torsion à froid sans réduction de section. L’acier Adherfil est obtenu par écrouissage à froid avec réduction de section.

Il est également interdit de les plier et de les déplier en raison de leur rupture fragile dangereuse. En outre, il faut respecter les conditions de cintrage applicables aux armatures selon le fascicule 65, et vérifier la condition de non-écrasement du béton.

TBA1105 - 2

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Référence Internet TBA1105 LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS DU BÉTON ARMÉ

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Fig. 3 : Acier à haute adhérence.

Les treillis soudés – Les treillis soudés sont constitués de ronds lisses bruts de tréfilage assemblés en maille carrée ou rectangulaire par soudure électrique.

Leur résistance courante est de 500 MPa. Ils sont commercialisés sous forme de panneaux de 3 à 5 m de long par 2,40 m de large pour les sections comprises entre 5 et 12 mm, et se présentent sous forme de rouleaux de 50 m de long par 2,40 m de large pour des sections inférieures à 5 mm (cf. Fig. 4).

Préfabriqués en usine, ils sont très utilisés en bâtiment pour les ferraillages de planchers, de dallages, de voiles…

Fig. 4 : Treillis soudé.

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TBA1105 - 3

Référence Internet TBA1105 LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS DU BÉTON ARMÉ

II - CARACTÉRISTIQUES

• fils HA (3) : 3 – 4 – 5 – 6 – 8 – 10 – 12 ;

DES ARMATURES POUR BÉTON

ARMÉ

• les fils préfabriqués existent en diamètre 7 et 9 mm ;

Les caractéristiques géométriques – Le diamètre nominal θ est exprimé en millimètres (mm) :

• treillis soudé : 3 – 3,5 – 4 – 4,5 – 5 – 5,5 – 6 – 7 – 8 – 9 – 10 – 12.

• ronds lisses et barres HA (1) : 6 – 8 – 10 – 12 – 14 – 16 – 20 – 25 – 32 – 40 (cf. Tab. 1) ;

La section nominale est exprimée en centimètres carrés (cm2), la masse par mètre en kilogramme (kg).

Tab. 1 – Diamètres et section des barres

1 Diamètre (mm)

Section (cm2)

Poids (kg/m)

3

0,071

0,056

3,5

0,096

0,076

4

0,126

0,099

4,5

0,159

0,125

5

0,196

0,154

5,5

0,238

0,187

6

0,283

0,222

7

0,385

0,302

8

0,50

0,395

9

0,636

0,499

10

0,79

0,616

12

1,13

0,888

14

1,54

1,208

16

2,01

1,579

20

3,14

2,466

25

4,91

3,854

32

8,04

6,313

40

12,57

9,864

Ronds lisses et barres HA

Fils HA1)

Treillis soudés

1) Diamètres 7 et 9 mm pour armatures préfabriquées seulement.

Les caractéristiques mécaniques – Elles sont garanties par le fabricant et figurent sur leur fiche d’agrément : • la limite d’élasticité garantie fpeg en MPa ; • la résistance à la traction garantie fprg en MPa ; • l’allongement à la rupture ε en ‰.

III - DIAGRAMME DÉFORMATION-CONTRAINTE JUSQU’À RUPTURE DES RONDS LISSES ET ACIERS À HAUTE ADHÉRENCE (HA)

Fig. 5 : Éprouvette d’acier soumise à la traction.

Méthode – On soumet une éprouvette d’acier à une force de traction F, et on mesure l’allongement de la barre jusqu’à sa rupture (cf. Fig. 5).

TBA1105 - 4

Résultat – Il en ressort le diagramme déformation-contrainte jusqu’à rupture (cf. Fig. 6) :

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Référence Internet TBA1110

Les granulats courants pour béton

1.

Généralités ................................................................................................ I – Documents de référence........................................................................ II – Glossaire ................................................................................................

TBA1110 - 2 — 2 — 3

2.

Différents types de granulats .............................................................. I – Granulats naturels d’origine minéralogique........................................ II – Granulats artificiels ...............................................................................

— — —

4 4 4

3.

Caractéristiques géométriques ........................................................... I – Forme des granulats .............................................................................. II – Granularité .............................................................................................

— — —

6 6 6

4.

Caractéristiques physico-chimiques.................................................. I – Masse volumique ................................................................................... II – Densité ................................................................................................... III – Foisonnement des sables .................................................................... IV – Porosité – Compacité........................................................................... V – Propreté des granulats ......................................................................... VI – Inertie ou activité chimique.................................................................

— — — — — — —

14 14 14 14 14 15 17

5.

Caractéristiques mécaniques............................................................... I – Dureté...................................................................................................... II – Méthodes de mesures ..........................................................................

— — —

19 19 19

6.

Quels granulats employer pour le béton ? .......................................

—

20

7.

Les différents granulats ........................................................................ I – Granulats courants................................................................................. II – Granulats lourds....................................................................................

— — —

21 21 21

lément constitutif du béton, les granulats ont pour objectif d’améliorer la résistance de la matrice. Aussi la dureté est-elle un paramètre important ; elle varie selon l’origine des granulats. Ces derniers sont dits « naturels » lorsqu’ils sont prélevés dans le milieu naturel : les roches utilisées (quartz, basalte, roches sédimentaires,…) proviennent des lits de rivière (granulats roulés) ou des carrières (granulats concassés). À cela s’ajoutent les granulats « artificiels » issus de l’industrie sidérurgique (mâchefer, laitier, granulats recyclés) ou bien encore fabriqués, comme l’argile expansée. Choisir le type de granulats à utiliser est une étape importante qui nécessite de prendre en compte, dès ce moment, les performances attendues. En effet, suivant l’usage, les exigences concernant la résistance à l’usure ou aux frottements du granulat ne seront pas les mêmes. Les caractéristiques mécaniques ne sont pas les seules à intervenir, les caractéristiques physico-chimiques et géométriques sont également très importantes : par exemple, la porosité agit sur l’adhérence qui, elle-même, influence la résistance du béton à la compression et à la traction. Après un récapitulatif de la normalisation en vigueur et une présentation des différents types de granulats, cet article expose les caractéristiques géométriques, physico-chimiques et mécaniques des granulats. Plusieurs tests sont proposés, comme le test « équivalent de sable » évaluant la propreté du sable, l’essai micro-Deval qui teste la résistance à l’usure du granulat et l’essai Los Angeles, pour la résistance au choc. Le lecteur est invité à consulter l’article : Les granulats légers TBA1112, pour plus de détails sur ce sujet.

Décembre 2004

É

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TBA1110 - 1

1

Référence Internet TBA1110

LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON

1

Généralités

1 I - DOCUMENTS

NF EN 1097-2 d’octobre 1998. Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats Partie 2 : méthodes pour la détermination de la résistance à la fragmentation (P18-650-2).

DE RÉFÉRENCE

A. Textes législatifs

NF EN 1097-3 d’août 1998. Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats - Partie 3 : méthode pour la détermination de la masse volumique en vrac et de la porosité intergranulaire (P18-650-3).

Décret n° 98-28 du 8 janvier 1998 relatif à la composition du cahier des clauses techniques générales applicables aux marchés publics de travaux et approuvant ou modifiant divers fascicules.

NF EN 1097-10 de février 2004. Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats Partie 10 : hauteur de succion d’eau (P18-650-10).

Fascicule 23 : Fournitures de granulats employés à la construction et à l’entretien des chaussées.

NF EN 1740 de juin 1998. Détermination de la résistance des éléments préfabriqués réalisés en béton cellulaire autoclave ou en béton de granulats légers à structure ouverte sous charge longitudinale prédominante (éléments verticaux) (P19-123).

Avis relatif à l’application du décret n° 92-647 du 8 juillet 1992, modifié par les décrets n° 95-1051 du 20 septembre 1995 et n° 2003-947 du 3 octobre 2003, concernant l’aptitude à l’usage des produits de construction et de l’arrêté du 27 juin 2003 appliquant ce décret aux granulats et enrochements (directive du Conseil des Communautés européennes 89/106/CEE du 21 décembre 1988).

NF EN 1741 de juin 1998. Détermination de la résistance au cisaillement des jonctions entre les éléments préfabriqués réalisés en béton cellulaire autoclavé ou en béton de granulats légers à structure ouverte, sous l’effet de forces agissant en dehors du plan des éléments (P19-124).

B. Normes

NF EN 1742 de juin 1998. Détermination de la résistance au cisaillement entre les différentes couches d’éléments multicouches réalisés en béton cellulaire autoclavé ou en béton de granulats légers à structure ouverte (P19-125).

Normes internationales – ISO 6274:1982 de juin 1982. Béton. Analyse par tamisage des granulats ISO 6782:1982 de juillet 1982. Granulats pour béton. Détermination de la masse volumique en vrac.

NF EN 1744-1 de septembre 1998. Essais pour déterminer les propriétés chimiques des granulats - Partie 1 : analyse chimique (P18-660-1).

ISO 6783:1982 de juin 1982. Gros granulats pour béton. Détermination de la masse volumique réelle et de l’absorption d’eau. Méthode de la balance hydrostatique.

NF EN 1744-3 de novembre 2002. Essais pour déterminer les propriétés chimiques des granulats - Partie 3 : préparation d’éluats par lixiviation des granulats (P18-660-3).

ISO 7033:1987 de mai 1987. Granulats fins et gros pour béton. Détermination de la masse volumique réelle et de l’absorption d’eau. Méthode du pycnomètre.

NF EN 13055-1 de décembre 2002. Granulats légers - Partie 1 : granulats légers pour bétons et mortiers (P18-603-1).

ISO/TR 10722-1:1998 de mars 1998. Géotextiles et produits apparentés - Mode opératoire de simulation des dégâts lors de l’installation - Partie 1 : installation dans des matériaux granulaires.

Normes françaises – NF P12-023-2 de février 2004. Spécifications pour éléments de maçonnerie. Partie 3 : éléments de maçonnerie en béton de granulats (granulats courants et légers) Complément national à la NF EN 771-3 (P12-023-2).

Normes européennes – NF EN 206-1 d’avril 2004. Béton Partie 1 : spécification, performances, production et conformité (P18-325-1).

NF P 18-306 de septembre 1965. Bétons de construction Laitier granulé (P18-306).

NF EN 771-3 de février 2004. Spécifications pour éléments de maçonnerie. - Partie 3 : éléments de maçonnerie en béton de granulats (granulats courants et légers) (P12-023-1).

NF P 18-307 de septembre 1965. Bétons - Laitier expansé (P18-307). NF P 18-308 de septembre 1965. Bétons - Pouzzolane (P18308).

NF EN 1097-1 de novembre 1996. Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats - Partie 1 : détermination de la résistance à l’usure (micro-Deval) (P18-650-1).

NF P 18-309 de décembre 1982. Granulats - Granulats d’argile ou de schiste expansés fabriqués en four rotatif destinés à la confection de bétons (P18-309).

NF EN 1097-1/A1 d’avril 2004. Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats Partie 1 : détermination de la résistance à l’usure (micro-Deval) (P18-650-1/A1).

TBA1110 - 2

P 18-302 de décembre 1991. Granulats - Laitier cristallisé de haut-fourneau (P18-302).

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Référence Internet TBA1110

LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON absence d’efflorescences, résistance mécanique à long terme, durabilité, ouvrabilité, fissuration réduite, effet pouzzolanique.

P 18-555 de décembre 1990. Granulats - Mesures des masses volumiques, coefficient d’absorption et teneur en eau des sables (P18-555).

Classe granulaire – Elle caractérise un granulat en fonction de sa dimension.

P 18-556 de septembre 1990. Granulats - Détermination de l’indice de continuité – Indice de classement (P18-556). P 18-557 de septembre 1990. Granulats - Éléments pour l’identification des granulats (P18-557).

Fines – Particules dont la plus grande dimension est inférieure à 0,5 mm essentiellement argileuses ou d’origine végétale ou organique.

P 18-558 de décembre 1990. Granulats - Détermination de la masse volumique absolue des fines (P18-558).

Filler – Ce terme désigne un granulat dont la plus grande dimension est inférieure à 2 mm.

P 18-559 de juin 1992. Granulats - Mesure de la masse volumique des sables et gravillons dans l’huile de paraffine (P18559).

Galet – Caillou poli par frottement dont la plus petite dimension est inférieure à 80 mm. Granularité – Ce terme qualifie un granulat, en fonction des proportions de grains de différentes grosseurs.

P 18-561 de septembre 1990. Granulats - Mesure du coefficient d’aplatissement (P18-561).

Granulat – Mélange de particules naturelles ou artificielles, concassées, broyées ou non.

P 18-572 de décembre 1990. Granulats - Essai d’usure microDeval (P18-572).

Granulométrie – Détermination par mesure physique de la granularité.

P 18-573 de décembre 1990. Granulats - Essai de Los Angeles (P18-573).

Grave – Mélange de granulats naturels ou artificiels et de sable à granularité continue et dont la plus grande dimension est supérieure à 4 mm, se situant dans un fuseau imposé.

P 18-591 de septembre 1990. Granulats - Détermination de la propreté superficielle (18-591).

Gravier – Granulat dont la plus grande dimension est comprise entre 4 et 80 mm.

P 18-592 de décembre 1990. Granulats - Essai au bleu de méthylène - Méthode à la tache (P18-592).

Kieselguhr – Silice pure, poudreuse, d’origine animale fossile, se présentant en microscopiques sections tubulaires. Il est souvent allié au ciment qu’il rend poreux, d’où son utilisation comme calorifuge en coquilles. Il sert d’épurateur d’eau dans les piscines (diatomées).

P 18-597 de décembre 1990. Granulats - Détermination de la propreté des sables : équivalent de sable à 10 % de fines (P18-597). XP P 18-303 d’août 1999. Eau de gâchage pour béton (P18303).

Masse volumique en vrac – La masse volumique en vrac est le quotient de la masse sèche remplissant un conteneur par le volume du conteneur.

XP P 18-540 d’octobre 1997. Granulats - Définitions, conformité, spécifications (P18-540).

Masse volumique nominale – Il s’agit de la masse volumique en vrac annoncée par le fabricant pour caractériser son produit, exprimée en kg/m3.

Projet de normes – PR NF EN 933-11. Essais relatifs aux caractéristiques géométriques des granulats - Partie 11 : essai de classification des gravillons recyclés selon leur composition (P18-622-11PR).

Masse volumique réelle – La masse volumique réelle est le quotient de la masse sèche de l’échantillon par le volume des grains solides et de l’espace interstitiel.

PR NF EN 1744-4. Essais pour déterminer les propriétés chimiques des granulats. - Partie 4 : détermination de la sensibilité à l’eau des fillers pour mélange bitumineux (P18660-4PR).

Mœllon – Pierre de grosseur intermédiaire entre le caillou et le bloc Pouzzolane – Roche naturelle constituée par des scories volcaniques composées pour l’essentiel par de la silice (SiO3 d’alumine (Al2O3) et d’oxyde ferrique (Fe2O3).

PR NF EN 1744-5. Essais relatifs aux propriétés chimiques des granulats. - Partie 5 : dosage des sels chlorures solubles dans l’acide (P18-660-5PR).

Refus – Ce terme désigne la partie des granulats qui est restée sur le tamis.

PR NF EN 1744-6. Essais relatifs aux propriétés chimiques des granulats. - Partie 6 : détermination de l’influence d’un extrait de granulat recyclé sur le temps de prise initial du ciment (P18-660-6PR).

Rocaille – Pierre provenant de la fragmentation des roches dont la plus petite dimension est supérieure à 80 mm. Silt – Particules de limon moins grosses que les particules de sable mais plus grosses que les particules d’argile.

II - GLOSSAIRE

Tamisat – Ce terme désigne la partie des granulats qui est passée à travers le tamis.

Bloc – Masse rocheuse constituée d’un seul élément plus gros que le mœllon.

Tout-venant – Granulat exploité sans aucun traitement préalable.

Cendres volantes – Produit résiduel issus des centrales thermiques. Suivant leurs caractéristiques, elles améliorent certaines propriétés du béton frais ou durci : homogénéité, imperméabilité,

Trommel – Cylindre rotatif à claire-voie servant au tri des granulats selon leur grosseur.

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LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON

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Différents types de granulats

I - GRANULATS

NATURELS D’ORIGINE MINÉRALOGIQUE

II - GRANULATS

ARTIFICIELS

Les granulats artificiels sont soit des sous-produits de l’industrie sidérurgique, soit fabriqués en vue d’obtenir un produit particulier.

Parmi les granulats naturels, les plus utilisés proviennent de roches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de roches métamorphiques telles que les quartz et quartzites, ou de roches éruptives telles que les basaltes, les granites, les porphyres.

A. Sous-produits industriels Laitier – Le laitier provient des hauts-fourneaux. Il constitue les impuretés surnageant à la surface de la fonte en fusion recueillie en bas de ces appareils.

Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux catégories : Granulats roulés – Les granulats dits roulés, dont la forme a été acquise par l’érosion, proviennent des torrents, rivières et fleuves qui ont entraîné et déposé au fond de leur lit des granulats de différentes grosseurs. Le dépôt de chaque grain se fait proportionnellement à sa grosseur lorsque le courant l’emporte. Les exploitants découvrent de vastes carrières de matériaux présélectionnés dans les lits asséchés. Sous le sol meuble de dépôt récent, on trouve les graviers là où coulaient de puissants cours d’eau puis les sables plus bas vers les embouchures des rivières. Tous ces matériaux, roulés par l’érosion, ont des angles arrondis qui facilitent leur glissement (ce qui est un avantage pour le compactage du béton, mais un inconvénient pour une fondation de route). Ils sont parfois recouverts d’une pellicule moins dure ou chimiquement active comme les calcaires des silex.

On peut l’obtenir sous trois formes : • le laitier concassé, lentement refroidi à l’air, il cristallise en une masse gris clair que l’on peut ensuite concasser et broyer. • le laitier granulé, obtenu par brusque refroidissement dans l’eau (trempe), il se forme en granulés de nature vitreuse. Il est soit mis en œuvre en l’état, soit le plus souvent, s’il possède les caractéristiques chimiques voulues, broyé pour entrer dans la composition des ciments au laitier ; • le laitier expansé, refroidi par barbotage d’air humide dans sa masse en cours de solidification, il cristallise sous forme alvéolaire, légère. Ces granulats sont utilisés notamment dans les bétons routiers ou pour les bétons réfractaires.

Ils sont sélectionnés en carrière selon leur grosseur par passage en trommel ou sur tamis. Ces granulats sont lavés pour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résistance du béton puis criblés pour obtenir différentes classes de dimension.

Mâchefer – Le mâchefer est constitué par les cendres fondues extraites des fourneaux industriels alimentés au charbon. L’usage de plus en plus réduit de ce dernier en fait un produit en voie de disparition.

On peut trouver différentes roches selon la région d’origine, mais les granulats utilisés pour le béton sont le plus souvent siliceux, calcaires ou silico-calcaires.

Granulats recyclés – Ces granulats sont produits suite au recyclage des gravats, des matériaux de démolition de constructions et de revêtements de chaussées (bétons, briques, asphaltes). Les concassés qui résultent de ce traitement ont différentes applications en construction routière, bétons maigres et sables stabilisés.

Granulats concassés – Les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donne des formes angulaires. C’est ainsi que le sable concassé est fabriqué en gravière. On obtient, en montagne, tous les granulats nécessaires à partir du rocher (cf. Fig. 1).

La démolition des bâtiments, le creusement de tranchées dans les chaussées ou la réfection de ces chaussées produit un potentiel d’environ 30 millions de tonnes de béton concassé, de sables et gravats propres ou traités.

Les grains concassés ont des formes multiples et il faut, pour beaucoup de domaines d’utilisation, en éliminer les plus irréguliers en forme de grossières aiguilles ou de plaquettes.

B. Produits fabriqués Leur coût plus élevé est compensé par les avantages que procurent leur légèreté et leur caractère isolant.

Une phase de précriblage est indispensable à l’obtention de granulats propres. On obtient les différentes classes granulaires souhaitées par des phases de concassage successives.

Argile expansée – L’argile expansée est obtenue par cuisson, au four tunnel rotatif légèrement incliné ou dans une série de fours rotatifs, d’une argile exempte de sable, préalablement humidifiée et broyée.

Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent d’un grand nombre de paramètres :

Dans le haut du four tunnel, la pâte commence par se désagréger en séchant et à former des billes de toutes dimensions en roulant sur la paroi. Quand la température atteint 100 °C, l’eau incluse se vaporise ; les billes gonflent en se remplissant de multiples cavités pleines de vapeur. Puis, la température augmentant toujours, la cuisson des billes se produit par formation de silicate anhydre (2 Si02 ; AI203) pendant que la rotation perpétuelle leur confère une peau compacte et imperméable.

• origine de la roche ; • régularité du banc ; • degré de concassage. La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avec soin et après accord sur un échantillon.

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LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON

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Fig. 1 : Tri des granulats en carrière.

La résistance mécanique, qui dépend du degré de cuisson, est adaptée à l’usage envisagé pour le produit.

caractéristiques de résistance, d’isolation et de poids très intéressantes.

Vermiculite – La vermiculite est une roche micacée qui foisonne en cuisant et donne une structure poreuse composée d’éléments longilignes en forme de vermisseaux.

Les plus usuels sont l’argile ou le schiste expansé et le laitier expansé. D’une masse volumique variable entre 400 et 800 kg/m3 selon le type et la granularité, ils permettent de réaliser aussi bien des bétons de structure que des bétons présentant une bonne isolation thermique.

Liège et polystyrène expansé – Ces matériaux n’ont aucune résistance mécanique. Dans le béton, ils jouent le rôle de vides en prenant la place de granulats résistants. On pourrait les appeler des antigranulats.

Les gains de poids sont intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre 1 200 et 2 000 kg/m3. Granulats très légers – Ils sont d’origine aussi bien végétale et organique que minérale (bois, polystyrène expansé).

Granulats industriels à hautes caractéristiques – Il s’agit de granulats élaborés spécialement pour répondre à certains emplois, notamment granulats très durs pour renforcer la résistance à l’usure de dallages industriels (granulats ferreux, Carborundum…) ou granulats réfractaires.

Très légers (20 à 100 kg/m3) ils permettent de réaliser des bétons de masse volumique comprise entre 300 et 600 kg/m3. On voit donc leur intérêt pour les bétons d’isolation, mais également pour la réalisation d’éléments légers blocs coffrants, blocs de remplissage, dalles, ou rechargements sur planchers peu résistants.

Granulats allégés par expansion ou frittage – Ces granulats, très utilisés dans de nombreux pays n’ont pas eu en France le même développement, bien qu’ils allient des

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Les granulats légers

1.

Généralités ................................................................................................ I – Intérêt des bétons légers ....................................................................... II – Différents types de bétons légers ........................................................ III – Granulats légers ................................................................................... IV – Caractères communs des granulats légers ....................................... V – Contrôle de la qualité des granulats ................................................... VI – Composition des bétons .....................................................................

2.

Les principaux granulats légers .......................................................... I – Argile expansée...................................................................................... II – Cendres volantes frittées ...................................................................... III – Laitier expansé ..................................................................................... IV – Schiste expansé ................................................................................... V – Vermiculite ............................................................................................ VI – Perlite .................................................................................................... VII – Polystyrène expansé .......................................................................... VIII – Ponce .................................................................................................. IX – Pouzzolane ........................................................................................... X – Mâchefer ............................................................................................... XI – Granulats végétaux ............................................................................. XII – Liège ....................................................................................................

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a diversité des granulats employés pour la fabrication du béton a été décrite dans l’article Granulats courants pour le béton TBA 1110. Nous allons ici nous attarder sur un type particulier de granulats, les granulats légers, utilisés pour la fabrication des bétons dits « légers ». Un béton léger est un béton qui contient de l’air. Il peut être mis en œuvre de deux manières : soit l’air est contenu dans la pâte, on parle alors de « béton cellulaire », soit l’air est contenu dans les granulats, on parle alors de « béton caverneux » ou de « béton plein de granulats légers ». Les granulats légers sont d’origine naturelle (il s’agit par exemple de ponce, pouzzolane, vermiculite) ou artificielle (comme le laitier expansé, les granulats végétaux, le mâchefer,…). Ces bétons ont des caractéristiques particulières qui font d’eux des matériaux très intéressants pour la réhabilitation d’ouvrages : en effet, leur légèreté, leur bonne isolation thermique et acoustique sont de précieux atouts. Le présent article passe en revue douze types de granulats légers. Pour chacun d’eux, il décrit les techniques de fabrication du granulat, ses caractéristiques (granulométrie, composition chimique) ainsi que les caractéristiques (conductivité thermique, résistance à la compression, à la traction,…) des bétons qui en sont issus. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

Décembre 2004

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LES GRANULATS LÉGERS

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Généralités

1 I - INTÉRÊT

• soit par réaction chimique (béton gaz) ;

DES BÉTONS LÉGERS

• soit par action physique au cours du malaxage (béton mousse). Les bétons légers sont appréciés pour leurs différentes caractéristiques.

Les buts recherchés sont l’obtention d’une : • très grande légèreté ;

Légèreté – Le gain de poids est apprécié dans tous les domaines où le poids propre des éléments joue un rôle important, notamment pour la réhabilitation des bâtiments anciens.

• très bonne isolation thermique ; • grande résistance au feu.

La légèreté permet des économies importantes sur :

Bétons pleins de granulats légers – L’air est contenu au sein des granulats.

• les fondations ;

Les bétons pleins de granulats légers sont des bétons pleins classiques dans lesquels les granulats normaux ont été remplacés par des granulats présentant une structure alvéolée, scoriacée ou cellulaire. Buts recherchés : la légèreté, mais surtout de bonnes résistances mécaniques.

• les structures ; • les engins de manutention et les coffrages. Isolation thermique – L’isolation thermique influe directement sur la notion de confort, mais elle entraîne aussi des implications économiques :

III - GRANULATS

• simplification des éléments de construction ; • économies de chauffage et économie d’énergie.

Les granulats légers peuvent être classés selon leur origine en matériaux naturels ou artificiels.

Ils constituent un apport d’isolation thermique d’autant plus apprécié avec la réglementation thermique 2000.

Matériaux naturels – Ce sont des granulats comme la ponce et la pouzzolane.

Isolation acoustique – Certains bétons de granulats de bois ont des bonnes performances thermo-acoustiques et sont utilisés notamment dans les panneaux antibruit.

Matériaux naturels ayant subi un traitement thermique – Nous trouvons ici les argiles, schistes et les ardoises expansées ainsi que la perlite expansée et la vermiculite exfoliée.

Résistance au feu – Les bétons légers réfractaires participent aussi à l’amélioration de la résistance au feu du fait des qualités thermiques du matériau et de la chute relativement lente des propriétés mécaniques en fonction de la température.

II - DIFFÉRENTS

Matériaux artificiels ne subissant pas de traitement spécial – Il s’agit souvent de déchets industriels de structure expansée. Le mâchefer répond à cette définition. On peut affecter aussi à cette catégorie les briquaillons. Matériaux artificiels obtenus après divers traitements spéciaux – Dans cette catégorie, figure la majorité des grands déchets industriels : le laitier expansé (sous-produit de l’industrie métallurgique), les cendres volantes frittées (sous-produits provenant des centrales thermiques) et les granulats végétaux, sciures et copeaux (sous-produits de l’industrie du bois). Un autre type de matériau est apparu beaucoup plus récemment : c’est le verre expansé.

TYPES DE BÉTONS LÉGERS

Il faut distinguer les bétons rendus légers par intégration de vides, d’air dans la masse du béton ou par l’utilisation de granulats légers. Bétons caverneux – L’air est contenu entre les granulats (éventuellement aussi au sein des granulats). Les bétons caverneux sont des bétons constitués d’un squelette de granulats légers ou non ayant sensiblement la même grosseur et d’un liant assurant l’enrobage et le collage des grains entre eux. En fait, il s’agit de bétons dont on a supprimé tout ou partie de l’élément fin et du liant correspondant servant à son enrobage. Buts recherchés : bétons économiques, gains de poids, bonne isolation thermique.

IV - CARACTÈRES

COMMUNS DES GRANULATS LÉGERS

Forme – La forme, comme l’état de surface des grains, joue un très grand rôle dans la recherche de la qualité finale des bétons. Des formes ramassées sont souhaitables, de même que des surfaces régulières. Ces critères ont, en effet, une grande importance sur la maniabilité des bétons, sur les quantités de ciment consommées et sur les résistances finales.

Bétons cellulaires – L’air est contenu dans la pâte. Les bétons cellulaires sont des matériaux constitués d’une pâte de sable siliceux et de liant hydraulique dans laquelle on fait naître des petites bulles dont le diamètre est de l’ordre de 1 mm :

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LÉGERS

On peut retenir, en ce qui concerne la forme générale du grain, quatre grandes catégories (cf. Fig. 1).

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LES GRANULATS LÉGERS

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Fig. 1 : Forme des granulats légers.

État de surfaces – Cette notion est très liée à celle de rugosité. Cette rugosité entraîne une consommation en pâte de mortier plus importante que dans le cas de grains lisses, car il faut combler les alvéoles et les cavernes situées à la périphérie du granulat.

Granulométrie – La plupart des pays producteurs de granulats légers s’accordent pour retenir trois classes granulaires :

Certains matériaux présentent des états de surface très irréguliers comme les pouzzolanes et les ponces.

• 10/20 pour les gros grains.

• 0/3, 0/4, 0/5 pour les sables ; • 3/10, 4/10, 5/10 pour les grains moyens ;

On ne dépasse pratiquement jamais les 20 mm, car au-delà les chutes des résistances mécaniques deviennent trop importantes par rapport aux faibles gains sur le plan de l’isolation thermique.

Structure des grains – La structure alvéolaire des grains provient de la formation de gaz à l’intérieur même du matériau due à l’action des hautes températures. Certains grains ont une structure lamellaire provenant d’une exfoliation sous l’action d’une élévation de température. Masse volumique apparente des granulats en vrac – La masse volumique apparente en vrac sèche est généralement comprise entre la moitié et les deux tiers de la masse volumique réelle.

V - CONTRÔLE

Constance – C’est le premier critère de qualité que l’on demande à tout produit. Il faut suivre plus particulièrement la constance des masses volumiques apparentes des livraisons successives (les écarts doivent rester dans la fourchette de ± 10 par rapport aux valeurs nominales annoncées par le fabricant pour la classe considérée).

Pour les sables, cette formule n’est plus valable, car les masses volumiques en vrac et réelles se rapprochent davantage l’une de l’autre. On choisira l’importance de la masse volumique apparente des granulats en fonction des utilisations des bétons (cf. Tab. 1).

Impuretés – Étroitement lié à la constance, le degré de pureté des granulats influe sur la qualité des bétons fabriqués. Les granulats ne doivent pas contenir d’impuretés dont la nature puisse nuire aux propriétés des bétons ou à la conservation des armatures (matières humiques, matières à base de soufre, de chlore…).

Tab. 1 – Type de béton en fonction de la masse volumique Types de béton Béton lourd

Masse volumique en kg/m3 > 3 000

Béton semi-lourd

2 500 à 3 000

Béton normal

2 200 à 2 500

Béton léger Béton très léger

DE LA QUALITÉ DES GRANULATS

Résistance du grain – La résistance finale du béton est directement fonction de la résistance du granulat. On le constate d’ailleurs dans l’évolution des résistances des bétons dans le temps. Ainsi, pour un béton normal, la courbe des résistances à la compression évolue en fonction de l’accroissement de la résistance de la pâte, car la résistance du granulat n’est pas en cause. Celle-ci est, dans la majorité des cas, nettement supérieure à celle du mortier. Pour le béton léger, la courbe

< 1 800 < 500

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LES GRANULATS LÉGERS est beaucoup plus « cassée ». En effet, dès que le mortier atteint la résistance du grain, le point faible dans le béton devient alors le granulat, ce qui entraîne un plafonnement des résistances (cf. Fig. 2).

thermique et de résistance au feu du béton sont loin d’être celles du béton à l’état d’équilibre.

VI - COMPOSITION

DES BÉTONS

Caractéristiques souhaitées – Le choix des composition est dicté par les caractéristiques que l’on désire obtenir pour le béton.

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Structure des granulats – En effet, les formes torturées ou déchiquetées entraînent des consommations variables de pâte de ciment. Dans ce cas, seule l’expérience du chantier permettra d’obtenir les proportions désirées. Dans la figure 3, le mortier en excès est expulsé (cf. Fig. 3a). Les granulats s’emboîtent les uns dans les autres ; dans la figure 3b, le mortier doit être prévu en quantité suffisante pour remplir les cavernes et les alvéoles ; tandis que dans la figure 3c un grain trop gros bouche l’entrée d’une caverne et empêche le mortier d’y pénétrer.

Fig. 2 : Évolution des résistances à la compression des bétons légers et normaux en fonction du temps (court terme : 3 jours environ, dans les conditions normales de conservation 20°C et 65 % d’humidité).

La résistance au choc et la fragilité du grain revêtent aussi une certaine importance, notamment au moment de la fabrication du béton. Des modifications des courbes granulométriques, dues notamment à l’action du malaxage, peuvent entraîner quelques modifications de résistances. Porosité – Absorption d’eau – La porosité élevée des granulats légers, due à leur structure cellulaire, leur permet d’absorber de grandes quantités d’eau avec des vitesses diverses. Cette propriété représente une source de difficultés pour l’entreprise qui doit effectuer des dosages précis et fabriquer des bétons avec des teneurs en eau à peu près constantes (cf. Tab. 2). Tab. 2 – Valeurs moyennes en pourcentage d’absorption d’eau

Types de granulats

Pourcentage d’absorption en % du poids sec à 24 h sous immersion totale

Argile expansée

20 à 30

Schiste expansé

10 à 15

Laitier expansé

25

Pouzzolane

10 à 25

Cendres volantes frittées

20

Perlite expansée

880

Vermiculite exfoliée

Fig. 3 : Différentes possibilités de répartition du mortier sur les granulats de forme scoriacée.

1 000 Signalons, cependant, que la résistance du béton étant limitée par la taille du plus gros grain, on n’a guère intérêt à dépasser une teneur en ciment de 350 à 400 kg/m3.

D’autre part, cette eau devra ensuite s’évacuer au fur et à mesure du vieillissement du béton ; cela demande un temps plus ou moins long, pendant lequel les propriétés d’isolation

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LES GRANULATS LÉGERS

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Les principaux granulats légers

I - ARGILE

une augmentation importante de la température. Les gaz, qui provoquent le gonflement, sont composés de gaz carbonique, d’oxyde de carbone et d’anhydrides sulfureux et sulfuriques. Des petites cavités, plus ou moins sphériques, se forment dans l’argile à l’état visqueux donnant ainsi une structure cellulaire au matériau.

EXPANSÉE

Caractéristiques – Sous l’action de fortes températures, certaines argiles possèdent la propriété de gonfler à la suite d’un dégagement de gaz lié à un ramollissement de la matière. Parallèlement, une peau extérieure se forme par vitrification à la surface du matériau.

B. Composition chimique de l’argile de base

Après refroidissement, on obtient un produit léger, dur, à texture cellulaire très marquée dont la masse volumique réelle varie de 750 à 1 200 kg/m3. Après criblage ou éventuellement concassage, les nodules ont, suivant leurs granularités, des masses volumiques apparentes comprises pour la plupart entre 300 et 1 000 kg/m3.

La composition chimique idéale de l’argile expansible pourrait être définie par les fourchettes données au tableau 1. Tab. 1 – Proportion des composants de l’argile expansible

L’élément constitutif est une argile grasse ; introduite humide dans un four rotatif spécial, elle en ressort après séchage, expansion et cuisson à plus de 1 100 °C, sous la forme de nodules plus ou moins arrondis à texture interne finement alvéolée et présentant généralement une surface lisse légèrement vitrifiée ; ils constituent un granulat de faible densité prêt à l’emploi dans les répartitions granulométriques courantes, sans aucun broyage ni concassage (sauf pour le sable 0/3). La masse volumique pour du granulat en vrac est : • sable 0/3 : 700 à 800 kg/m3, • petit gravier 3/10 : 500 à 600 kg/m3, • gravier 10/20 : 450 à 500 kg/m3. La densité absolue des grains à l’état sec est de l’ordre de 0,9 pour le 10/20 et 1,0 pour le 3/10.

Composants

Pourcentage

Al203

16 à 20

Si02

50 à 65

Fe203

5à9

CaO

1à4

MgO

1,5 à 3,5

Alcalis

1,5 à 4,5

S03

0 à 1,5

S

0 à 1,5 %

Perte au feu : 6 à 8 % (dont 1 à 3,5 % de matières organiques)

La compacité de ces granulats en vrac (non tassés) est d’environ 0,55 ; autrement dit, un mètre cube de granulat sec 10/20 en vrac pèse environ 0,55 × 0,9 × 1 000 ≈ 500 kg. Si, par immersion ou arrosage, il absorbe 20 % d’eau, par exemple, ce même mètre cube en vrac pèsera alors :

C. Fabrication industrielle Le schéma général de fonctionnement d’une usine de fabrication d’argile ou de schiste expansé – Voici les différents types de fabrication d’argile ou de schiste :

500 × 1,20 = 600 kg environ. Ces valeurs sont données à titre indicatif car elles peuvent varier assez sensiblement d’une production à une autre et il conviendra de les vérifier par quelques mesures sur les matériaux réellement utilisés.

• extraction de l’argile en carrière ;

Ces produits ont en effet tendance à absorber une importante quantité d’eau qui peut atteindre à saturation, au bout de plus d’un mois 30 à 50 % de leur poids initial à sec ; l’absorption est assez rapide au début ; il convient donc en général de les prémouiller avant introduction dans le malaxeur et de prévoir de préférence un dosage volumétrique étant donné l’incertitude du degré d’humidification. Il semble en général qu’un prémouillage de l’ordre de 10 à 15 % en poids soit suffisant.

• broyage, concassage (addition éventuelle d’un produit d’expansion) ;

• convoyage de cette matière vers les installations de traitement ;

• homogénéisation ; • pourrissage et humidification, laminage et/ou filage et granulation, séchage ; • cuisson expansion ; • refroidissement avec récupération des calories ;

A. Expansion

• criblage et stockage.

Définition – L’expansion a pour origine un dégagement gazeux au sein de la matière plus ou moins visqueuse à la suite de l’apparition d’une série de réactions chimiques provoquées par

On utilise le plus souvent des fours rotatifs du même genre que ceux utilisés en cimenterie. Certaines installations sont parfois équipées de fours à grille mobile ou de fours verticaux.

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Les bases de calcul du béton armé

I – De l’étude à la réalisation ...................................................................... II – La sécurité.............................................................................................. III – Les actions ............................................................................................ IV – Les valeurs caractéristiques................................................................ V – Les sollicitations ................................................................................... A. Sollicitations à l’ELU ........................................................................... B. Sollicitations à l’ELS............................................................................ VI – Les situations ....................................................................................... VII – Les états limites .................................................................................. VIII – La combinaison d’actions ................................................................. A. Vis-à-vis des états limites ultimes de résistance .............................. B. Vis-à-vis des états limites de service ................................................. IX – Les hypothèses de calcul .................................................................... A. Vis-à-vis des états limites ultimes de résistance .............................. B. Vis-à-vis des états limites de service ................................................. X – Le dimensionnement............................................................................ A. Vis-à-vis des états limites ultimes de résistance .............................. B. Vis-à-vis des états limites de service ................................................. XI – La note de calcul .................................................................................. XII – Le plan de ferraillage.......................................................................... XIII – Quelques ratios d’acier courants...................................................... XIV – Charges dans les ouvrages ..............................................................

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-2 2 3 4 4 5 5 5 5 6 7 7 8 8 10 10 10 10 11 12 12 12

vant 1850, la construction des ouvrages ne répondait à aucun critère spécifique, ce qui pouvait avoir des conséquences désastreuses ; en effet, nombre d’entre eux se sont effondrés. La cathédrale de Beaune en est un exemple, de même que le pont des Arts, à Paris, qui a été reconstruit à plusieurs reprises depuis sa création, en 1801. Cette problématique a encouragé les ingénieurs à s’intéresser à la théorie de la résistance des matériaux et c’est ainsi que des règlements concernant chaque type de matériaux ont vu le jour, dès le milieu du XVIIIe siècle. En 1906, le premier règlement de calcul concernant le béton armé est apparu. Ce règlement est basé sur la théorie des contraintes admissibles, avec un coefficient de sécurité relatif à ce matériau. Cet article a pour objectif d’expliquer les bases de calcul du béton armé ; y sont notamment développées les hypothèses de calcul vis-à-vis des états limites ultimes de résistance (ERU), des états limites de service (ELS), les notes de calcul et plan de ferraillage ; un exemple de dimensionnement est également fourni. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

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Référence Internet TBA1120

LES BASES DE CALCUL DU BÉTON ARMÉ

I - DE L’ÉTUDE

1

À LA RÉALISATION

Un ouvrage en béton armé doit être conçu et calculé de manière à résister à toutes les sollicitations auxquelles il est soumis dans sa durée d’utilisation, dans des règles de sécurité suffisantes. Conception et exécution – La structure en béton armé doit donc être considérée sous deux aspects : • la conception du projet consiste à déterminer l’ouvrage : – la géométrie de la structure : cohérence de la géométrie par rapport à l’équilibre statique, détails de construction, manière d’assemblage des éléments, disposition des aciers, etc. – l’étude des sollicitations qui s’exercent sur les différents éléments de la structure et conduisent aux calculs de l’ouvrage. Le calcul permet de justifier que la sécurité est assurée. On élabore les plans et les notes de calcul.

• Les contraintes limites en compression et en flexion du béton (Cf. Fig. 2)

• l’exécution : pendant la phase de construction, la vérification de l’ouvrage s’effectue à partir des plans (bétonnage, ferraillage, etc.) et non des notes de calcul.

II - LA

SÉCURITÉ

Jusqu’au XIXe siècle, les ouvrages se construisaient dans l’empirisme le plus total : aucun règlement de calcul n’existait. Les édifices s’écroulaient parfois, comme l’effondrement de la cathédrale de Vézelay en 1104 ou encore Autun ou Beaune. De nombreux ponts également n’ont pas résisté : c’est le cas de la passerelle des Arts à Paris reconstruite sept fois. Au cours du XIXe siècle, la théorie de la résistance des matériaux commence à s’élaborer sous l’égide de MM. Navier, Saint-Venant, Bresse, de Fontviolant, et les premiers règlements apparaissent vers 1850. Ceux-ci s’appliquent à tous les matériaux utilisés : fer, acier, béton armé, maçonnerie. En 1906 apparaît le premier règlement de calcul de béton armé. Tous ces règlements sont basés sur la théorie des contraintes admissibles avec un coefficient de sécurité uniquement sur le matériau utilisé. Fig. 1 : Cheminées de Caquot.

Exemple La théorie probabiliste – Puis peu à peu s’est développée la théorie probabiliste notamment sous l’égide du Polonais M. Wierzbicki en 1936, puis à l’échelon international de MM. Prot et Levi en 1948.

La résistance à la compression du béton est calculée selon la formule :

Cette théorie, basée sur le fait qu’ « aucune sécurité absolue n’existe », sera adoptée officiellement dans les règlements sous la forme « semi-probabiliste ».

avec k = 3,5 ou 1/k = 0,28. Puis on introduit la pondération sur les actions.

La norme actuelle adoptée en France et en Europe pour la base des calculs est définie au chapitre 1.

• Les cheminées de M. Caquot (Cf. Fig. 1)

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Référence Internet TBA1120

LES BASES DE CALCUL DU BÉTON ARMÉ

1

Fig. 2 : Contraintes limites en compression et en flexion du béton.

III - LES

ACTIONS

Définition – On appelle actions les forces, les moments et les déformations imposés à une structure, à cause de charges permanentes, d’exploitation, climatiques, etc. Les actions sont classées en trois catégories. Le BAEL définit « action » comme toute cause produisant une contrainte dans la construction. Fig. 3 : Action permanente sur 2 poutres.

Les actions permanentes G – Ce sont les actions continues ou peu variables dans le temps. Elles conserveront toujours la même intensité. On distingue : • le poids propre de la structure G0 On considère (sauf exceptions spécifiées) la masse volumique du béton armé égale à 2,5 t/m3 ; • le poids des superstructures ou équipements fixes (exemple : acrotère, garde-corps) G1 ; • le poids, les poussées et les pressions des solides et des liquides de niveau constant ( exemple : poussée des remblais). Le coefficient de la poussée des terres vaut 0,3 à 0,4. La masse volumique des remblais est comprise entre 1,8 à 2 t/m3 ; • les déformations constantes imposées à la construction (exemple : tassements d’appui, retrait permanent). Le retrait vaut : – εr = 3.10–4 dans le quart sud-est de la France ; – εr = 2.10–4 dans le reste de la France. • les charges constantes appliquées en cours d’exécution (Cf. Fig. 3 et Fig. 4).

Fig. 4 : Poussée des remblais sur un mur de soutènement.

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Référence Internet TBA1125

L’adhérence béton - acier

1.

Conception ................................................................................................ I – Le rôle de l’adhérence ........................................................................... II – La contrainte d’adhérence .................................................................... III – L’ancrage des barres............................................................................ A. Le scellement droit.............................................................................. B. L’ancrage par courbure....................................................................... IV – Conditions des barres courbes ........................................................... A. Condition de façonnage des barres courbes .................................... B. Condition de non-écrasement du béton............................................ V – Ancrages courbes courants ................................................................. VI – Armatures de couture.......................................................................... VII – Recouvrement des barres .................................................................. VIII – Chaînage............................................................................................. A. Barre couvre-joint................................................................................ B. Jonction par chaînage......................................................................... IX – Dispositions constructives ..................................................................

TBA1125 — — — — — — — — — — — — — — —

-2 2 3 3 3 5 5 5 5 9 10 11 13 13 14 14

2.

Exemple de calcul de longueur de scellement................................ I – Données .................................................................................................. II – Calcul de la longueur de scellement droit........................................... III – Calcul de la longueur de scellement courbe......................................

— — — —

16 16 16 16

omme cela a été expliqué dans les articles Présentation du béton armé TBA1100 et Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, le béton armé est le fruit de l’association de deux matériaux : le béton et l’acier. Ces matériaux possèdent des propriétés complémentaires (l’un résiste à la traction tandis que l’autre résiste à la compression), ce qui rend ce type de béton très résistant. Cette propriété notamment explique son succès dans le domaine de la construction. Mais l’efficacité de cette association ne serait rien sans un phénomène particulier : l’adhérence. L’adhérence correspond au phénomène de frottements existant entre le béton et les armatures. Elle permet, entre autres, aux armatures de ne pas glisser dans le béton. Après avoir défini les rôles de l’adhérence, cet article se concentre sur la conception de l’adhérence : l’ancrage des barres, les conditions de façonnage des barres courbes, les conditions de non-écrasement du béton, les armatures de couture, le recouvrement des barres, le chaînage. Un exemple de calcul de longueur de scellement est détaillé en fin d’article. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

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Référence Internet TBA1125

L'ADHÉRENCE BÉTON - ACIER

1

Conception

1 I - LE

RÔLE DE L’ADHÉRENCE

soumise à une force de traction jusqu’au glissement (Cf. Fig. 3).

S’il n’y avait pas d’adhérence entre le béton et l’acier, le matériau « béton armé » n’existerait pas. Définition – L’adhérence est l’action des forces qui s’opposent au glissement des armatures dans le béton. L’adhérence est un phénomène de frottement entre l’acier et le béton dont le coefficient vaut 0,4, ce qui correspond à un angle de frottement de π/8. L’adhérence permet aux armatures de transmettre les efforts au béton par contact entre les deux matériaux. L’adhérence assure trois rôles : • elle assure le scellement (ou l’ancrage) des barres (Cf. Fig. 1) ;

Fig. 3 : Essai du « pull-out ».

On observe sur le diagramme une meilleure adhérence des barres haute adhérence HA par rapport aux fils ronds lisses (Cf. Fig. 4).

Fig. 1 : Scellement de la barre dans le béton.

• elle s’oppose au glissement des barres tendues ; • elle distribue la fissuration (Cf. Fig. 2).

Fig. 4 : Diagramme du glissement.

Remarque Les barres HA sont 2,25 fois plus adhérentes que les ronds lisses. L’adhérence augmente avec : • la rugosité des barres (plus la barre est rouillée, mieux c’est !) ; • la résistance du béton ;

Fig. 2 : Distribution de la fissuration.

Expérience du « pull-out » – Cette expérience consiste à soumettre une barre ancrée dans une éprouvette de béton et

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Référence Internet TBA1125

L'ADHÉRENCE BÉTON - ACIER • l’épaisseur du béton d’enrobage ;

La contrainte d’adhérence dans l’acier s’écrit :

• les aciers de couture ; • la présence de contraintes normales à la surface acier/béton. La contrainte limite d’adhérence dans le béton s’écrit :

II - LA

CONTRAINTE D’ADHÉRENCE

Calculs – Une barre scellée dans le béton est soumise à des forces de traction opposées (Cf. Fig. 5). ftj = résistance caractéristique du béton à j jours.

III - L’ANCRAGE

DES BARRES

A. Le scellement droit Le scellement droit en traction – La longueur de scellement droit ls est la longueur d’ancrage total dans le béton (Cf. Fig. 6), c’est-à-dire la longueur scellée nécessaire pour que l’acier supporte un effort maximal F à l’extrémité libre de la barre sans se desceller :

Fig. 5 : Contraintes dans une barre.

Une contrainte quelconque vaut :

Fig. 6 : Scellement droit.

fe : contrainte dans l’acier

Contrainte d’adhérence dans l’acier :

τsu : contrainte dans le béton. Les valeurs forfaitaires des longueurs de scellement droit sont indiquées au tableau 1. avec :

Tab. 1 – Valeurs forfaitaires des longueurs de scellement droit

Aciers

Nuance

Longueur des scellements droits ls

fe E 22

D’où la longueur de scellement droit ls :

Ronds lisses

50 Ø fe E 24 fe E 400

40 Ø

fe E 500

50 Ø

HA avec :

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Référence Internet TBA1125

L'ADHÉRENCE BÉTON - ACIER Attention ! Condition pour mettre en place un ancrage droit : la longueur totale de la barre doit être supérieure à la longueur de scellement : l > ls

On peut réduire la longueur de scellement droit en utilisant des produits spéciaux de scellement. On peut réduire ls à 15 ø.

1

Les longueurs minimales de scellement droit sont indiquées dans le tableau 2. Tab. 2 – Longueurs minimales de scellement droit. Fig. 7 : Longueur de scellement droit pour un paquet de trois barres.

fc28

MPa

20

25

30

35

40

45

fe E 400

41

35

31

27

25

22

fe E 500

51

44

39

34

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Le scellement droit en compression – Les règles sont les mêmes qu’en traction.

ls

Remarque • Lorsque plusieurs barres sont regroupées par paquet, chaque barre doit être ancrée individuellement. Les longueurs d’ancrage ne doivent pas se chevaucher. • Attention : il est interdit d’arrêter toutes les armatures dans la même section (cf. Fig. 8).

Pour un paquet de trois barres (cf. Fig. 7), la longueur de scellement doit être multipliée par 1,5.

Fig. 8 : Ancrage courbe.

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Référence Internet TBA1130

Les éléments en traction

I – Les pièces tendues ................................................................................. II – Le dimensionnement des armatures dans un tirant .......................... III – La condition de non-fragilité : section d’acier minimale................... IV – Vérification des contraintes ................................................................ V – Cas spécial des enveloppes ................................................................. VI – Dispositions constructives d’une pièce tendue................................. VII – Exemple ...............................................................................................

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es constructions en béton armé sont réputées pour leur grande résistance, notamment à la traction : cela est dû à l’ajout d’armatures en acier qui renforcent la structure en béton. En effet, ces armatures, appelées également « ferraillage », ont pour objectif de limiter la déformation des pièces tendues. Le présent article s’intéresse exclusivement au phénomène de traction. Il aborde le dimensionnement des armatures dans un tirant, la section d’acier minimale à mettre en œuvre dans une pièce de béton (ou condition de nonfragilité). À noter que le cas des enveloppes (cuves, réservoirs et canalisations) est également traité. La compression sera abordée dans l’article : Les éléments en compression TBA1132, le lecteur pourra s’y reporter pour plus d’informations. Il est invité à consulter également les articles : Présentation du béton armé TBA1100, Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

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Référence Internet TBA1130

LES ÉLÉMENTS EN TRACTION

I - LES

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et dirigées vers la gauche se concentrent en une seule force appliquée au centre de gravité de la section (Cf. Fig. 1).

PIÈCES TENDUES

Définition – Une pièce est en traction simple si l’ensemble des forces extérieures qui s’appliquent à gauche de la section

Fig. 1 : Pièce soumise à une traction simple.

La section de ces pièces est entièrement et uniformément tendue.

• une suspente (Cf. Fig. 4). ;

Le centre de gravité est confondu avec celui des armatures. Types de pièces – Une pièce entièrement tendue peut être : • un tirant : c’est une pièce longue (Cf. Fig. 2), sa déformation est l’allongement. Le ferraillage type est indiqué en figure 3 :

Fig. 4 : Suspente.

• une diagonale de poutre en treillis (Cf. Fig. 5) : Fig. 2 : Tirant.

Fig. 5 : Diagonale.

• un entrait (Cf. Fig. 6) : • une canalisation : c’est une enveloppe ; • un réservoir ou un silo (Cf. Fig. 7) ; • une canalisation sous pression (Cf. Fig. 8), etc.

Fig. 3 : Ferraillage type.

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Les éléments en compression

I – Les pièces comprimées ......................................................................... II – Le flambement ...................................................................................... III – Le dimensionnement des armatures dans un poteau ...................... IV – Dispositions constructives d’une pièce comprimée ......................... A. Armatures longitudinales ................................................................... B. Armatures transversales..................................................................... C. Ferraillages types des poteaux........................................................... V – Exemple .................................................................................................

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ans un ouvrage en béton armé, certaines pièces sont soumises à la compression (on parle alors de « pièces comprimées »), il s’agit notamment des appuis d’ouvrages et des poteaux. Ces derniers peuvent voir apparaître un phénomène de déformation que l’on appelle « le flambement ». Le ferraillage (ensemble des armatures en acier) a pour objectif de renforcer la structure en béton. Après avoir expliqué les calculs de la longueur du flambement d’un poteau de bâtiment puis d’un poteau isolé, cet article aborde le dimensionnement des armatures dans un poteau. Quelques règles à suivre concernant les dispositions constructives d’une pièce comprimée sont également fournies (armatures longitudinales, transversales, ferraillage types des poteaux). À noter que les pièces soumises à un effort de traction sont développées dans un autre article : Les éléments en traction TBA1130. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Présentation du béton armé TBA1100, Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

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Référence Internet TBA1132

LES ÉLÉMENTS EN COMPRESSION

I - LES

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et dirigées vers la droite se concentrent en une seule force appliquée au centre de gravité de la section (Cf. Fig. 1).

PIÈCES COMPRIMÉES

Définition – Une pièce est en compression simple si l’ensemble des forces extérieures qui s’appliquent à gauche de la section

Fig. 1 : Pièce en compression.

La section de ces pièces est entièrement et uniformément comprimée. Le centre de gravité est confondu avec celui des armatures. Types de pièces – Une pièce entièrement comprimée peut être : • un poteau (Cf. Fig. 2). Sa déformation est le flambement (Cf. Fig. 3). Le ferraillage type est indiqué en figure 4 ;

Fig. 3 : Flambement.

Fig. 2 : Poteau.

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Référence Internet TBA1132

LES ÉLÉMENTS EN COMPRESSION

1 Fig. 4 : Ferraillages types.

• un élément avec efforts localisés importants, comme un appui d’ouvrage (Cf. Fig. 5).

Fig. 7 : Ferraillage de la section A-A.

Remarque En réalité, le centre de gravité des aciers et celui du béton ne sont pas confondus. L’effort normal n’est donc jamais complètement centré. Cette différence crée des effets du second ordre et génère des moments en pied de poteau (Cf. Fig. 8). Cas théorique ei = 0 – Dans ce chapitre, on traite le cas théorique ei = 0. En compression simple, on ne tient pas compte des effets du second ordre qui seront étudiés en flexion composée. Fig. 5 : Appui d’ouvrage.

II - LE

Sa déformation apparaît grisée sur la figure 6. Le ferraillage type est indiqué en figure 7. Ces pièces comprimées par des pressions localisées sont traitées dans l’article A.5.2.4 du BAEL (vérification au poinçonnement). Cela concerne principalement les appuis de pont par l’intermédiaire de plaques d’élastomère, les zones d’appui des vérins de poussée sur un élément d’ouvrage. Les pressions localisées ne seront pas traitées dans ce chapitre, car ce cas ne correspond pas à la construction d’un bâtiment traditionnel.

FLAMBEMENT

La longueur de flambement lf est évaluée en fonction de la longueur initiale l0 (Cf. Fig. 9). Il faut vérifier la résistance d’un poteau suivant ses deux plans de flambement (Cf. Fig. 10). Calcul de la longueur de flambement d’un poteau de bâtiment – Au sous-sol :

* L’inertie de la poutre principale du premier étage est supérieure à l’inertie du poteau. À l’étage courant :

L’exécution doit être telle que les imperfections géométriques ne dépassent pas les valeurs suivantes :

Fig. 6 : Déformation d’un appui d’ouvrage.

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Le béton armé aux Eurocodes

1.

Introduction aux Eurocodes ................................................................. I – Objectif des Eurocodes .......................................................................... II – L’Eurocode 2 .......................................................................................... III – Les états limites.................................................................................... IV – Méthode des coefficients partiels....................................................... V – Les conditions d’environnement .........................................................

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2.

Les matériaux ........................................................................................... I – Le béton .................................................................................................. A. Les composants du béton .................................................................. B. La résistance à la compression .......................................................... C. La résistance à la traction ................................................................... D. Diagramme contrainte-déformation.................................................. E. Déformations du béton ....................................................................... II – L’acier ..................................................................................................... III – L’adhérence acier-béton et les ancrages............................................

— — — — — — — — —

8 8 8 9 10 10 12 13 15

3.

Les poteaux ............................................................................................... I – Caractéristiques d’un poteau ................................................................ II – Poteau élancé ....................................................................................... III – Poteau peu élancé : méthode de la compression centrée ................

— — — —

17 17 23 24

es codes européens de conception et de calcul des ouvrages, appelés communément « Eurocodes », ont pour objectif d’harmoniser les règles de construction à l’échelle de l’Europe. Il existe dix Eurocodes : quatre d’entre eux sont communs à tous les matériaux, les autres sont spécifiques à l’un d’entre eux. Il s’agit, par exemple, de l’Eurocode 5 qui concerne les calculs des structures en bois, de l’Eurocode 9 qui est relatif aux structures en aluminium. Le béton (qu’il soit armé, non armé ou précontraint) est rattaché à l’Eurocode 2 ; cette norme a été adoptée par le Comité européen de normalisation (CEN) en 2004. Cet article développe les bases de calcul (états limites, méthodes des coefficients partiels) et les conditions d’environnement définies par l’Eurocode 2. S’ensuit l’étude des structures en béton et acier (résistance à la compression, à la traction, module d’élasticité, conditions d’adhérence béton-acier). Enfin, un chapitre est consacré aux poteaux, en particulier aux conditions d’encastrement qui ne sont pas abordées dans le règlement. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Présentation du béton armé TBA1100, Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, pour plus de détails sur ces différents sujets.

Décembre 2009

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Référence Internet TBA1140

LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES

1

Introduction aux Eurocodes

1 I - OBJECTIF

DES

EUROCODES

L’Eurocode 0 est désigné par la norme NF EN 1990 précitée (AFNOR P06-100-01), ou plus couramment par EC0.

Harmoniser les règles de construction européennes – L’objectif des Eurocodes est d’harmoniser toutes les règles de construction européennes. Les Eurocodes sont l’aboutissement de trente années de travail et de collaboration entre les différents pays à l’initiative de ce projet né en 1975.

L’EC0 définit les exigences de base :

Les Eurocodes sont des codes de conception et de calcul des ouvrages de structure destinés à se substituer aux normes nationales dans chacun des États membres. Ces nouvelles normes servent désormais de référence dans tous les États membres pour les spécifications techniques liées à la construction.

L’Eurocode 1 – Il est le Règlement vent et neige et remplace le règlement NV65 et le BAEL pour les actions climatiques.

– sécurité vis-à-vis de la résistance ; – aptitude au service ; – durabilité.

Le règlement pour le vent est basé sur des essais de soufflerie appliquée sur des tours de grande hauteur. Il définit les valeurs des charges de surface qk et Qk (charges qui se « promènent » sur le plancher).

Les États devant mettre en application les Eurocodes sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Chypre, Danemark, Espagne, Estonie, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Irlande, Islande, Italie, Lettonie, Lituanie, Luxembourg, Malte, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque, Royaume-Uni, Slovaquie, Slovénie, Suède et Suisse.

L’Eurocode 1 est désigné par la norme NF EN 1991 précitée (AFNOR P 06-111-2), ou plus couramment par EC1.

II - L’EUROCODE 2

Les normes Eurocodes sont les suivantes : • NF EN 1990 (mars 2003) « Eurocodes structuraux – Eurocode 0 : Bases de calcul des structures » ;

Généralités – L’Eurocode 2 concerne les calculs pour toutes les structures en béton non armé, béton armé et béton précontraint. Il est désigné par la norme NF EN 1992 précitée (AFNOR P 06-100-01), ou plus couramment par EC2 et se divise en quatre parties :

• Série NF EN 1991 « Eurocode 1 : Actions sur les structures » ; • Série NF EN 1992 « Eurocode 2 : Calcul des structures en béton » ;

• Partie 1-1 : Règles générales et règles pour les bâtiments ;

• Série NF EN 1993 « Eurocode 3 : Calcul des structures en acier » ;

• Partie 1-2 : Règles générales – Calcul du comportement au feu ;

• Série NF EN 1994 « Eurocode 4 : Calcul des structures mixtes acier-béton » ;

• Partie 2 : Ponts en béton – Calcul et dispositions constructives ;

• Série NF EN 1995 « Eurocode 5 : Calcul des structures en bois » ;

L’Eurocode 2 peut être utilisé avec les normes suivantes :

• Partie 3 : Silos et réservoirs. • NF EN 1990 (mars 2003) « Eurocodes structuraux – Bases de calcul des structures » ;

• Série NF EN 1996 « Eurocode 6 : Calcul des structures en maçonnerie » ;

• Série NF EN 1991 « Eurocode 1 : Actions sur les structures » ;

• Série NF EN 1997 « Eurocode 7 : Calcul géotechnique » ;

• PR NF EN 13670 (juin 2009) « Exécution des ouvrages en béton » ;

• Série NF EN 1998 « Eurocode 8 : Calcul des structures pour leur résistance aux séismes » ;

• Série NF EN 1997 « Eurocode 7 : Calcul géotechnique » ;

• Série NF EN 1999 « Eurocode 9 : Calcul des structures en aluminium ».

• Série NF EN 1998 « Eurocode 8 : Calcul des structures pour leur résistance aux séismes ».

Les annexes nationales (AN) sont des documents d’application propres à chaque pays qui portent sur les valeurs et les principes. Elles permettent une transition vers les Eurocodes mais devraient disparaître en 2015.

L’Eurocode 2 est un règlement basé sur les états-limites, c’està-dire des états qui ne doivent pas être atteints sous peine de ne plus satisfaire au projet.

Une coexistence avec les règlements français est envisagée jusqu’en 2010.

La norme EC2 a été adoptée par le Comité européen de normalisation le 16 avril 2004 et existent en trois versions officielles : français, anglais, allemand.

Actuellement, les marchés publics laissent le libre choix du règlement, sauf stipulation spéciale.

L’Eurocode 2 remplace les règlements de calcul français utilisés jusqu’à présent : BAEL et BPEL, ainsi que ENV 1992-11, 1992-1-3, 1992-1-4, 1992-1-5, 1992-1-6 et 1992-3.

L’Eurocode 0 – Il concerne les bases de calculs de toutes les structures et est commun à tous les Eurocodes : béton, acier, bois…

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Ceux-ci devront disparaître au plus tard en mars 2010.

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Référence Internet TBA1140

LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES Symboles – Le tableau 1 rassemble les symboles en lettres majuscules.

Le tableau 2 concerne les symboles en lettres minuscules. Tab. 2 – Symboles en lettres minuscules

Tab. 1 – Symboles en lettres majuscules A

Action accidentelle

A

Aire de la section droite

Ac

Aire de la section droite du béton

As

Aire de la section des armatures de béton armé

As,min Asw D DEd E Ec, Ec(28)

Aire de la section minimale d’armatures

a

Distance

b

Largeur totale d'une section droite ou largeur de la table d'une poutre en T ou en L

bw

Largeur de l'âme des poutres en T, en I ou en L

d

Diamètre

d

Hauteur utile d'une section droite

dg

Dimension nominale supérieure du plus gros granulat

e

Excentricité

fc

Résistance en compression du béton

1

Aire de la section des armatures d’effort tranchant Diamètre du mandrin de cintrage Endommagement total dû à la fatigue Effet des actions Module d’élasticité tangent à l’origine (σc = 0) pour un béton de masse volumique normale à 28 jours

Ec,eff

Module d’élasticité effectif du béton

fcd

Valeur de calcul de la résistance en compression du béton

fck

Résistance caractéristique en compression du béton, mesurée sur cylindre à 28 jours

fcm

Valeur moyenne de la résistance en compression du béton, mesurée sur cylindre

fctk

Résistance caractéristique en traction directe du béton

fctm

Valeur moyenne de la résistance en traction directe du béton

f0,2k

Valeur caractéristique de la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2 % de l'acier de béton armé

Ecd

Valeur de calcul du module d’élasticité du béton

Ecm

Module d’élasticité sécant du béton

Ec(t)

Module d’élasticité tangent à l’origine (σc = 0) au temps t pour un béton de masse volumique normale

Es

Valeur de calcul du module d’élasticité de l’acier de béton armé

EI

Rigidité en flexion

EQU

Équilibre statique

ft

Résistance en traction de l'acier de béton armé

F

Action

ftk

Fd

Valeur de calcul d’une action

Résistance caractéristique en traction de l'acier de béton armé

Fk

Valeur caractéristique d’une action

fy

Limite d'élasticité de l'acier de béton armé

Gk

Valeur caractéristique d’une action permanente

fyd

Limite d'élasticité de calcul de l'acier de béton armé

I

Moment d’inertie de la section de béton

fyk

Limite caractéristique d'élasticité de l'acier de béton armé

L

Longueur

fywd

Limite d'élasticité de calcul des armatures d'effort tranchant

M

Moment fléchissant

MEd N NEd

Valeur de calcul du moment fléchissant agissant

h

Hauteur

i

Rayon de giration

k

Coefficient

l

Longueur ou portée

Effort normal Valeur de calcul de l’effort normal agissant (traction ou compression)

Qk

Valeur caractéristique d’une action variable

m

Masse

R

Résistance

r

Rayon

S

Efforts et moments internes (sollicitations)

S

Moment statique

SLS T TEd ULS V VEd

1/r

Courbure en une section donnée

t

Épaisseur

t

Instant considéré

t0

Âge du béton au moment du chargement

État-limite ultime (ELU)

u

Périmètre de la section droite de béton dont l'aire est Ac

Effort tranchant

x

Profondeur de l'axe neutre

Valeur de calcul de l’effort tranchant agissant

z

Bras de levier des forces internes

État-limite de service (ELS) Moment de torsion Valeur de calcul du moment de torsion agissant

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TBA1140 - 3

Référence Internet TBA1140

LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES

III - LES

Le tableau 3 présente les symboles en lettres grecques manuscrites.

Répondre aux exigences fonctionnelles – Le calcul des structures s’effectue aux états limites avec la méthode des coefficients partiels selon des combinaisons d’actions.

Tab. 3 – Symboles en lettres grecques manuscrites

1

ÉTATS LIMITES

Angle ou coefficient

α

Angle ou coefficient

β

Coefficient partiel

γ

Coefficient partiel relatif aux actions accidentelles A

γA

Coefficient partiel relatif au béton

γC

Coefficient partiel relatif aux actions F

γF

Coefficient partiel relatif aux actions permanentes G

γG

Coefficient partiel relatif à une propriété d'un matériau

γM

Coefficient partiel relatif aux actions variables Q

γQ

Coefficient partiel relatif à l'acier de béton armé

γS

Rapport

δ

Déformation relative en compression du béton

εc

Déformation relative ultime du béton en compression

εcu

Déformation relative de l'acier de béton armé sous charge maximale

εu

Flambement, déversement, rupture d’un poteau.

Valeur caractéristique de la déformation relative de l'acier de béton armé sous charge maximale

εuk

Angle

θ

États limites de service – Un état limite de service concerne le fonctionnement de la structure ou de ses éléments en utilisation normale, le confort des personnes et l’aspect de la construction.

Coefficient d'élancement

λ

Coefficient de Poisson

υ

Masse volumique du béton séché en étuve en kg/m3

ρ

Pourcentage d'armatures longitudinales

ρl

Pourcentage d'armatures d'effort tranchant

ρw

Contrainte de compression dans le béton

σc

– la maîtrise des fissurations ; – la limitation des flèches ; – la limitation des contraintes.

Contrainte de compression dans le béton correspondant à la déformation ultime en compression εcu

σcu

L’état-limite de service peut être :

Contrainte tangente de torsion

τ

Diamètre d'un acier d'armature

ø

Diamètre équivalent d'un paquet de barres

øn

Coefficient de fluage, définissant le fluage entre les temps t et t0, par rapport à la déformation élastique à 28 jours

ϕ (t, t0)

Valeur finale du coefficient de fluage

ϕ (∝, t0)

Coefficients définissant les valeurs représentatives des actions variables – pour les valeurs de combinaison – pour les valeurs fréquentes – pour les valeurs quasi-permanentes

TBA1140 - 4

Une structure doit répondre à des exigences fonctionnelles. Si elle doit satisfaire uniquement une exigence de résistance, le calcul est conduit à l’état limite ultime de résistance noté ELUR. Si elle doit satisfaire uniquement des exigences de comportement en service, le calcul est conduit à l’état limite de service noté ELS. Si les exigences sont relatives à la résistance et au comportement en service, il faut calculer la structure à l’ELUR puis à l’ELS. Dans ce cas, il faudra peut-être augmenter la résistance du béton ou les dimensions. Les sections de béton et d’acier calculées à l’ELUR sont inférieures à celles calculées à l’ELS. Le coût d’un ouvrage calculé à l’ELU sera donc inférieur au même ouvrage calculé à l’ELS. États limites ultimes – Un état limite ultime concerne la sécurité des biens ou des personnes. Il correspond à l’atteinte du maximum de la capacité portante de l’ouvrage avant rupture causée par une déformation excessive : – perte de l’équilibre statique (EQU) ; – défaillance d’un élément de structure (STR). Exemple

Il faut donc vérifier pour un état de service courant : – les déformations qui affectent l’aspect, le confort des utilisateurs ou la fonction de la structure (ainsi que le fonctionnement des machines) ; – les déformations qui endommagent les finitions de l’ouvrage ; – les vibrations qui nuisent au confort des personnes. C’est-à-dire :

– réversible : on utilisera alors pour les calculs les combinaisons fréquentes et quasi-permanentes ; – irréversible : on utilisera les combinaisons caractéristiques. Il faut que la valeur de calcul soit inférieure à la valeur limite de calcul pour un service considéré.

IV - MÉTHODE

DES COEFFICIENTS PARTIELS

Un coefficient est appliqué à la valeur d’une action afin de pondérer cette dernière.

ψ

Ed = γF Frep :

ψ0 ψ1 ψ2

– avec γF = coefficient partiel ; – Frep = ψFk = valeur d’une représetation d’action ; – Fk = valeur caractéristique d’une action.

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Référence Internet TBA1140

LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES Valeur de calcul des effets d’une action – Une action est une force appliquée à une structure. Les forces sont les effets des charges ou des déformations imposées à une structure.

1, 35 Gk,sup + 1, 00 Gk,inf + 1, 50 Qk,1 + 1, 50 ∑ ψ 0,i Qk,i > 1 • Pour situations accidentelles ou sismiques Les combinaisons accidentelles s’écrivent :

Les actions permanentes sont des charges toujours appliquées à la structure, comme le poids propre de l’ouvrage, les cloisons, les revêtements de sol, les poussées des terres ou des liquides pour un ouvrage enterré, etc. Les actions permanentes peuvent également être des déformations comme le tassement différentiel des fondations, le raccourcissement dû au retrait climatique, etc.

(

)

Gk,sup + Gk,inf + Ad + ψ11 , ou ψ 2,1 Qk,1 + ∑ ψ 2,i Qk,i > 1 Les combinaisons sismiques s’écrivent : Gk,sup + Gk,inf + AEd + ∑ ψ 2,i Qk,i ≥ 1 Il faut retenir les deux principales combinaisons d’actions à l’ELUR :

L’intensité des charges permanentes ne varie pas (ou très peu) dans le temps.

– 1,35 g + 1,5 q pour déterminer la section maximale d’armatures ; – g + 1,5 q pour déterminer la longueur maximale de certaines armatures et la stabilité de certains ouvrages.

Les actions variables sont les charges d’exploitation, les charges climatiques (vent, neige), les effets dus à la température, les charges appliquées en cours de construction. Elles ne sont pas toujours appliquées. L’intensité des charges variables varie dans le temps.

2/ Combinaisons d’actions aux états limites de service Les combinaisons rares s’écrivent :

Les actions accidentelles sont, par exemple, un choc de camion contre une pile de pont.

Gk,sup + Gk,inf + Qk,1 + ∑ ψ 0,i Q k,i > 1

Sollicitations – Les sollicitations sont des efforts (effort normal, effort tranchant, moment de flexion, moment de torsion) développés dans une structure par une combinaison d’actions données.

Gk,sup + Gk,inf + ψ11 , Qk,1 + ∑ ψ 2,i Q k,i > 1

Les valeurs caractéristiques des actions sont spécifiées dans l’Eurocode 1.

Gk,sup + Gk,inf + ∑ ψ 2,i Q k,i ≥ 1

Les combinaisons fréquentes s’écrivent :

Les combinaisons quasi permanentes s’écrivent :

Le plus souvent, ψ1 = 0,6 et ψ2 = 0,2. Le cas de chargement le plus défavorable sera déterminé au moyen des lignes d’influence.

La valeur caractéristique d’une action permanente est notée Gk. La valeur caractéristique d’une action variable est notée Qk. Valeur de calcul de la résistance – Rd = γM χd

3/ Exemple d’une combinaison fondamentale à l’ELUR (STR) Une combinaison est : 1 action dominante + 1 action variable comme le montre le tableau 4. Il faut chercher quelle est la situation la plus défavorable.

avec : – γM = coefficient partiel ; – χd = propriété d’un matériau. Un coefficient partiel est appliqué à la valeur de calcul selon le matériau utilisé.

V - LES

1/ Coefficient partiel sur le béton Le coefficient partiel sur le béton vaut : γc = 1,5 pour les combinaisons fondamentales ; γc = 1,2 pour les combinaisons accidentelles ; γc = 1 pour les états limites de service.

CONDITIONS D’ENVIRONNEMENT

Conditions d’expositions – Les conditions d’exposition sont les conditions physiques et chimiques auxquelles la structure est exposée, en plus des actions mécaniques.

2/ Coefficient partiel sur l’acier Le coefficient partiel sur l’acier vaut : γs = 1,15 pour les combinaisons fondamentales ; γs = 1 pour les combinaisons accidentelles ; γs = 1 pour les états limites de service.

L’Eurocode 2 définit les classes d’exposition en fonction des conditions d’environnement suivant son tableau 4.1 « Classes d’exposition en fonction des conditions d’environnement, conformément à la norme NF EN 206-1 (cf. Tab. 5).

Combinaisons d’actions – Les actions permanentes et variables agissent simultanément.

Durée d’utilisation de projet – La durée d’utilisation de projet doit être normalement spécifiée. Elle est fonction de la catégorie de durée d’utilisation du projet.

Les combinaisons d’actions permettent de définir les cas de chargement les plus défavorables pour dimensionner la structure.

Les valeurs de la durée d’utilisation sont données par l’annexe nationale (cf. Tab. 6).

On note :

Classification structurale – Il est prévu 6 classes structurales, S1 à S6. La classe minimale est la classe S1. Pour les bâtiments et les ouvrages de génie civil courants, la classe utilisée est S4. Leur durée de vie est de 50 ans.

• Gk,sup : action permanente défavorable ; • Gk,inf : action permanente favorable ; • Qk,1 : action variable dominante ;

Remarque

• Qk,i>1 : action variable d’accompagnement.

Plusieurs critères apportent une modification à la classe structurale : – une durée d’utilisation de projet de 100 ans impose une majoration de 2 classes ; – une durée d’utilisation de projet inférieure ou égale à 25 ans permet une minoration d’une classe. Le choix d’une classe de résistance du béton en fonction de la classe d’exposition permet de considérer une minoration d’une classe selon le tableau 7.

1/ Combinaisons d’actions aux états limites ultimes • Pour situations durables et transitoires Les combinaisons fondamentales s’écrivent : Pour la vérification des états limites d’équilibre EQU : 110 , Gk,sup + 0, 90 Gk,inf + 1, 50 Qk,1 + 1, 50 ∑ ψ 0,i Qk,i > 1 Pour la vérification des états limites de structure STR :

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TBA1140 - 5

1

Référence Internet TBA1140

LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES Tab. 4 – Combinaison fondamentale à l’ELUR (STR) Charges d’exploitation

Force du vent

Charges de neige

Action thermique

Q

Fw

Qs

T

Charges permanentes

∑ (1, 35 Gk,sup + 1, 00 Gkj,inf ) >1

1

1,50 Si Q = Qk, 1

1, 50 × 0 ,6 1, 50 × { 0, 5 1, 50 × 0 ,6 { { ψ 0,1 ψ 0,3 ψ 0,2 144444424444443 ψ 0,i pour Qk ,i > 1

j≥1

où

1, 50 × 0 ,7 {

1,50 si Fw = Qk, 1

où

1,50 × 0,7

1,50 × 0,6

1,50 × 0,5 si Qs = Qk, 1

1,50 × 0,6

où

1,50 × 0,7

1,50 × 0,6

1,50 × 0,5

1,50 si T = Qk, 1

ψ 0,1

1, 50 × 0 ,5 { ψ 0,3

1, 50 × 0 ,6 { ψ 0,3

Tab. 5 – Classes d’exposition en fonction des conditions d’environnement, conformément à la norme NF EN 206-1 (avril 2004) « Béton – Partie 1 : spécification, performances, production et conformité » – Doc. EC2 Classes d’exposition en fonction des conditions d’environnement, conformément à la norme NF EN 206-1 (avril 2004) « Béton – Partie 1 : spécification, performances, production et conformité » – Doc. EC2

1 Aucun risque de corrosion ni d’attaque X0

Béton armé très sec

Béton à l’intérieur des bâtiments où le taux d’humidité de l’air ambiant est très faible 2 Corrosion par carbonatation

XC1

Sec ou mouillé en permanence

Béton à l’intérieur des bâtiments où le taux d’humidité de l’air ambiant est faible. Béton submergé en permanence par l’eau

XC2

Humide, rarement sec

Surfaces de béton soumises au contact à long terme de l’eau. Fondations, sauf exceptions

XC3

Humidité modérée

Béton à l’intérieur des bâtiments où le taux d’humidité de l’air ambiant est moyen ou élevé. Béton extérieur abrité de la pluie

XC4

Alternativement humide et sec

Surfaces de béton soumises au contact de l’eau mais n’entrant pas dans la classe d’exposition XC2 3 Corrosion par chlorure

XD1

Humidité modérée

Surfaces de béton exposées à des chlorures transportés par voie aérienne

XD2

Humide, rarement sec

Éléments en béton exposés à des eaux industrielles contenant des chlorures. Piscine

XD3

Alternativement humide et sec

Éléments de ponts exposés à des projections contenant des chlorures. Chaussées, dalles de parc de stationnement de véhicules.

4 Corrosion par chlorure en provenance de l’eau de mer XS1

Exposé à l’air véhiculant du sel marin mais pas en contact direct avec l’eau de mer

Structure sur la côte ou à proximité de la côte

XS2

Immergé en permanence

Éléments de structures marines

XS3

Zones de marnage, zones soumises à des projections ou à des embruns

Éléments de structures marines

TBA1140 - 6

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Techniques du bâtiment : Construire en béton armé Réf. Internet 43805

2

1 – Technique du béton armé 2 – La préfabrication

Réf. Internet

Les procédés des composants industriels

TBA1200

51

L'économie du projet

TBA1210

55

La préfabrication : point de vue de l'entrepreneur

TBA1215

59

Préfabrication : études de cas

TBA1220

63

Les produits préfrabiqués en béton

TBA1225

69

3 – Les fondations

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49

page

2

50

Référence Internet TBA1200

Les procédés des composants industriels 1.

Étendue du domaine couvert par la préfabrication....................... I – Intérêts et inconvénients de la préfabrication ..................................... II – Adaptation de la fabrication à la nature des ouvrages ...................... A. Secteur de la construction de la maison individuelle ...................... B. Secteur de la construction des logements collectifs ........................ C. Secteur de la construction des établissements recevant du public D. Secteur des bâtiments industriels .....................................................

2.

Complexité du processus de décision............................................... I – Mode de fabrication ............................................................................... A. Préfabrication industrielle .................................................................. B. Préfabrication foraine.......................................................................... II – Type de préfabrication.......................................................................... A. Choix des composants de gros œuvre.............................................. B. Intégration de plusieurs fonctions ..................................................... C. Mode de construction ......................................................................... III – La réglementation et ses conséquences ............................................ IV – Économie du projet ............................................................................. A. Approche spécifique à chaque partenaire ........................................ B. Composants du coût ........................................................................... C. Variations importantes dans la structure des coûts .........................

TBA1200 - 2 — 2 — 2 — 2 — 3 — 6 — 6 — — — — — — — — — — — — —

10 10 10 10 11 11 11 11 12 13 13 13 16

ors de la construction d’un ouvrage, les entreprises ont la possibilité de recourir à la « préfabrication ». La préfabrication peut être réalisée par l’entreprise sur le chantier, en atelier ou bien encore par des tiers. Elle peut représenter un gain de temps, de productivité et un coût moindre, ce qui peut se révéler très intéressant, d’autant qu’elle concerne un grand nombre d’éléments de construction : ces éléments peuvent être de matériaux divers (fer, terre cuite, plâtre, béton,…) et de taille très variée (entrevous de plancher, cloisons, voire éléments porteurs). Ces composants industriels préfabriqués font l’objet de la première partie de cet article où ils sont listés suivant leur adaptation à la nature de l’ouvrage (maison individuelle, logement collectif, bâtiment industriel ou bien encore établissement recevant du public). Toutefois, recourir à la préfabrication est une décision complexe. Ce choix important doit se faire en prenant en compte plusieurs points : le mode de fabrication (la préfabrication sera-t-elle industrielle ? Foraine ?), le type de préfabrication (concernera-t-elle le gros-œuvre ? Le second-œuvre ?), Les incidences qu’auront ses choix sur le transport ? La mise en œuvre ? Le mode de construction ? Toutes ces questions sont développées dans la deuxième partie de cet article. Le lecteur est invité à consulter également les articles : L'économie du projet TBA1210, La préfabrication : point de vue de l'entrepreneur TBA1215 et Préfabrication : études de cas TBA1220, pour plus de détails sur ces différents sujets.

Décembre 2004

L

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TBA1200 - 1

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Référence Internet TBA1200

LES PROCÉDÉS DES COMPOSANTS INDUSTRIELS

1

2

Étendue du domaine couvert par la préfabrication Le concepteur peut avoir recours à la préfabrication car elle présente plusieurs avantages :

Les divers composants utilisés – La préfabrication concerne un vaste ensemble qui va de la construction des bâtiments aux ouvrages d’art. Elle s’est considérablement développée et concerne de nombreux éléments de construction :

• obtenir des produits dont la qualité est souvent meilleure qu’avec le traditionnel ;

• composants de gros œuvre incluant des éléments porteurs verticaux et horizontaux ;

• faire gagner du temps ;

• composants de façades non porteuses ou porteuses ;

• faire une économie sur les coûts.

• composants de toiture ; L’entreprise, de son côté, recherche des solutions constructives et une plus grande facilité de mise en œuvre. L’utilisation de composants lui permet d’espérer des gains importants :

• composants industrialisés de cloisons : carreaux de plâtre, panneaux de particules ou de plaque de plâtre, cloisons sanitaires préfabriquées, cloisons diverses (métalliques, terre cuite…) ; • composants d’équipement : gaines, cellules techniques…

• gain de temps à la mise en œuvre ;

En se limitant au seul matériau « béton » et à la préfabrication de type industriel, les utilisations courantes sont multiples (cf. Fig. 1).

• parfois gain de matériaux car certaines pertes sont évitées ; • respect de la sécurité lors de l’exécution ; • limitation de certains de ses investissements en matériel (étaiement, coffrage, matériel de protection…). Inconvénients de la préfabrication – La préfabrication nécessite par contre des moyens en matériel de levage plus importants dans le cas d’utilisation de composants de type surfacique. Les transferts d’activité du chantier vers l’atelier sont généralement générateurs de gains de productivité. Mais les dernières années ont montré que le problème reste complexe : les systèmes constructifs ont quasiment disparu au bénéfice d’une préfabrication moins ambitieuse mais induisant plus de souplesse dans la conception et l’exécution. Si beaucoup de composants actuels concernent le gros œuvre, celui-ci ne représente qu’une partie de l’ensemble du coût de la construction (environ 40 à 45 %), et le reste concerne le second œuvre. Une vraie politique de la construction doit donc viser à diminuer les coûts en entreprenant des recherches sur le développement industriel de ce secteur important du marché de la construction.

Fig. 1 : Domaine varié de la préfabrication.

I - INTÉRÊTS

ET INCONVÉNIENTS DE LA PRÉFABRICATION

II - ADAPTATION

DE LA FABRICATION À LA NATURE DES OUVRAGES

Avantages de la préfabrication – Les fabricants proposent des composants sur catalogue qui apportent des réponses satisfaisantes au concepteur d’ouvrage et à l’exécutant. On trouve sur le marché des fabrications industrielles d’éléments de dimensions différentes :

A. Secteur de la construction de la maison individuelle

• petites dimensions : blocs béton, poutrelles et entrevous de plancher ;

Petites entreprises et artisans – En ce qui concerne la conception et la réalisation de la maison individuelle (cf. Fig. 2), les composants proposés sur le marché sont généralement faciles à manutentionner et ne nécessitent pas un matériel important.

• éléments surfaciques de grandes dimensions : panneaux de façade, dalles de plancher et, pour les cas extrêmes, les cellules tridimensionnelles.

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Référence Internet TBA1200

LES PROCÉDÉS DES COMPOSANTS INDUSTRIELS

2

Fig. 2 : Maison individuelle.

Les petites entreprises et les artisans représentent la majeure partie des acteurs engagés dans le processus d’exécution de ce type de projet. Les fabricants ont donc conçu à leur intention des composants relativement légers et de dimensions plutôt modestes : longrines, poutrelles de planchers, prélinteaux…

B. Secteur de la construction des logements collectifs

Les éléments surfaciques (prédalles, dalles et panneaux de façades) sont quantitativement peu utilisés.

• les prédalles en béton armé ou en béton précontraint, fréquemment utilisées ;

Le choix des éléments – Il se fait à partir des critères mécaniques, thermiques, phoniques et de résistance au feu.

• un grand nombre d’éléments dont le coffrage et l’étaiement présentent de grandes difficultés.

Des composants plus variés et plus importants – Les chantiers de logements collectifs (cf. Fig. 3) sont équipés de matériel de levage plus puissant qui permet l’utilisation de composants plus variés mais de dimensions plus importantes :

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TBA1200 - 3

Référence Internet TBA1200

LES PROCÉDÉS DES COMPOSANTS INDUSTRIELS

2

Fig. 3 : Logements collectifs.

Ainsi, en accord avec les dispositions prévues au CCTP, les entreprises réalisent souvent avec des composants proposés par les fabricants :

leurs critères mécaniques, thermiques, phoniques et de résistance au feu. Ainsi, les prédalles peuvent être proposées par les fabricants selon le classement suivant :

• les balcons et garde-corps ;

• critère de résistance mécanique :

• les allèges mises en œuvre après réalisation de la structure porteuse ;

– prédalle « classique » (cf. Tab. 1) ; – prédalle de grande portée : de 5 m à 8 m (cf. Tab. 2) ;

• les acrotères, les escaliers, les gaines, etc.

• critère d’isolation thermique : prédalle « thermique » : en vue du respect de la réglementation thermique (cf. Tab. 3) ;

Éléments sur catalogue – Comme dans le cas de la maison individuelle, les catalogues des fabricants classent leurs composants à partir des performances obtenues. Les éléments sur catalogue sont choisis selon leurs facilités d’exécution,

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• critère de résistance au feu (cf. Tab. 4) ; • critère d’isolement acoustique (cf. Tab. 5).

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Référence Internet TBA1210

L’économie du projet

1.

2.

3.

Comment la préfabrication peut-elle véritablement participer à l’économie du projet ?........................................................................ I – Approche de la notion de gain.............................................................. II – Décomposition du coût de construction ............................................. A. Estimation du coût .............................................................................. B. Évaluation des prix de cession d’un composant .............................. C. Incidence sur la mise en œuvre ......................................................... III – Réalisation de planchers ..................................................................... A. Comparaison des frais de chantier selon la technologie utilisée.... B. Affectation des frais de chantier ........................................................ IV – Transfert des tâches du chantier à l’usine .........................................

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2 2 2 3 3 3 4 6 6

Point de vue des différents acteurs................................................... I – Réflexion sur la souplesse..................................................................... II – Réflexion sur le type de mécanisation envisagé ................................ III – Analyse de la conception des éléments spécifiques à un projet – Richesse de la composition........................................................................ A. Prise de connaissance du processus de fabrication......................... B. Exemple d’intégration du processus de fabrication par le concepteur ..................................................................................... C. Analyse de fabrication ........................................................................ IV – Faut-il concevoir des éléments simples spécialisés ou des composants plus complexes répondant à de multiples exigences ? .................................................................................................. V – Analyse de la conception d’un composant de façade et d’un cloisonnement ................................................................................

— — —

8 8 8

— —

9 9

— —

10 10

—

12

—

13

Conclusion ................................................................................................ I – Analyser les objectifs ............................................................................. II – Décider et utiliser la préfabrication en toute connaissance de cause ....................................................................................................... III – En résumé .............................................................................................

— —

14 14

— —

14 15

ors de la construction d’un ouvrage, une entreprise peut être tentée de recourir à la préfabrication pour la conception de certains composants, partant du principe que cette technique est forcément génératrice d’économie. Malheureusement, cette conclusion est un peu hâtive : si la préfabrication peut se révéler intéressante dans certains cas, elle ne l’est pas systématiquement. Aussi est-il primordial de bien analyser la situation avant de se lancer, et de bien prendre en compte le projet dans sa globalité. Dans une première partie, cet article développe la démarche qu’il faut suivre lorsque l’on veut savoir si la préfabrication est, ou non, source d’économie pour le projet (le projet étant bien sûr pris dans sa totalité). Cette démarche est illustrée par un exemple qui détaille le coût de la réalisation (déboursés secs et frais de chantier). Les exigences des différents acteurs (architectes, fabricants,…) intervenant durant l’opération doivent nécessairement être prises en compte pour chaque étape de la construction : un exemple est développé dans la deuxième partie de l’article. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Procédé des composants industriels TBA1200, La préfabrication : point de vue de l'entrepreneur TBA1215 et Préfabrication : études de cas TBA1220, pour plus de détails sur ces différents sujets.

Décembre 2004

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Référence Internet TBA1210

L'ÉCONOMIE DU PROJET

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Comment la préfabrication peut-elle véritablement participer à l’économie du projet ? Il s’avère impossible d’apporter une réponse simple à cette question. L’analyse a posteriori d’un nombre important de chantiers montre qu’il est nécessaire de nuancer toute conclusion que l’on pourrait être tenté d’apporter dans un sens ou dans l’autre. Plusieurs constats peuvent être en effet observés mettant en lumière la difficulté à apporter une conclusion définitive.

I - APPROCHE

Les pourcentages indiqués donnent un ordre de grandeur permettant de comparer la part respective correspondant à chaque poste.

DE LA NOTION DE GAIN

Champ d’action de la notion de gain – La notion de gain recouvre plusieurs réalités : on peut espérer un gain sur le coût résultant pour la construction, un gain sur le temps d’exécution et un gain sur la qualité finale de l’ouvrage. Le coût résultant, le temps d’exécution, la qualité finale de l’ouvrage sont liés.

Coût du béton – Le coût du béton dépend du type de liant choisi et de la nature des granulats (cf. le paragraphe cidessus « coût des matériaux). Plus généralement, lorsqu’il existe plusieurs matériaux techniquement envisageables, il faut procéder à une comparaison au regard des performances obtenues avec chacun. Là encore, c’est le résultat global qui importe.

Étude du coût de réalisation – L’estimation du coût est donc assez complexe et ne peut être obtenue sans une étude complète du processus de réalisation dans sa globalité. Le coût résultant est en effet fonction de nombreux paramètres et seule une étude comparative permet de décider entre divers modes de réalisation.

Ainsi, on peut comparer le coût de différents matériaux du point de vue de leur résistance mécanique, de leur pouvoir absorbant ou de leur pouvoir isolant !

Il faut en fait considérer le bâtiment non comme un produit unique mais comme étant constitué de parties ; l’étude porte donc sur l’assemblage de ces parties plus ou moins indépendamment.

Coût d’utilisation du moule – Le coût d’utilisation d’un moule par panneau dépend du nombre de réemplois prévu. Dans le cas d’un nombre important de réemplois ou d’une utilisation peu soigneuse, il convient d’ajouter un coût d’entretien concernant principalement la peau de coffrage ; un mauvais état de parement peut nécessiter soit son remplacement (peau en contreplaqué coffrage CTBX) soit sa remise en état (peau de coffrage en tôle d’acier). À l’inverse, le choix de la nature de la peau de coffrage se fait à partir du nombre de réemplois prévu : le contreplaqué coffrage permet de 10 à 30 voir 40 réemplois selon la qualité du contreplaqué utilisé (couleur orange, brune ou noire). La tôle est généralement choisie lorsque le moule doit être réutilisé de l’ordre d’une centaine de fois. À remarquer que le changement du contreplaqué coûte souvent moins cher qu’une solution avec tôle d’acier et les coffrages sont plus légers.

Le coût de réalisation d’un ouvrage est obtenu en sommant les déboursés secs et les frais de chantier : Cr = D s + F c Quant au prix de revient, il est obtenu en ajoutant au coût de revient les frais généraux Pr = C r + F G = D s + F c + F G Le gain peut donc provenir pour la préfabrication par des gains de productivité portant soit sur les déboursés secs (gain sur le temps de mise en œuvre par exemple) soit sur les frais de chantier. Un exemple permettra de restituer la démarche à suivre.

II - DÉCOMPOSITION

DU COÛT DE CONSTRUCTION

Coût de l’adaptation du moule – L’adaptation du moule peut consommer beaucoup de main-d’œuvre si les séries sont mal étudiées. De même la conception de la forme des pièces peut intervenir grandement (voir ci après).

A. Estimation du coût Exposé du problème – L’entreprise désire estimer le coût de construction pour une opération où le CCTP prévoit l’utilisation de grands panneaux préfabriqués en béton en façade afin de le comparer au prix obtenu chez un sous-traitant.

Coût du transport – Le coût du transport dépend de la distance « atelier de préfabrication – chantier » et des plus ou moins grandes facilités d’accès.

Seule l’étude des déboursés permet de chiffrer l’ensemble des diverses tâches à prévoir (cf. Fig. 1).

Il convient d’ajouter à ces déboursés secs les frais de chantier pour connaître le coût de réalisation.

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L'ÉCONOMIE DU PROJET

2

Fig. 1 : Études des déboursés secs : panneaux de grandes dimensions.

B. Évaluation des prix de cession d’un composant

Néanmoins, l’utilisation d’éléments préfabriqués est souvent à l’origine :

Éléments à prendre en compte – Le concepteur qui désire évaluer l’économie qui peut résulter de l’emploi de composants préfabriqués en lieu et place d’éléments réalisés in situ doit se référer aux conditions réellement obtenues auprès des fabricants. L’importance du chantier, sa distance à l’usine ou au lieu de stockage du revendeur, mais aussi la plus ou moins grande complexité du projet sont autant de facteurs qui interviennent. Le prix de cession obtenu pour la fourniture d’un composant varie selon les conditions de négoce comme en témoigne les résultats donnés ci-après qui font apparaître de gros écarts (cf. Fig. 2).

• d’une plus grande facilité de mise en œuvre ; • au final, d’une meilleure qualité, notamment des parements obtenus. Elle permet alors dans ce dernier cas de limiter les tâches de reprises et finitions souvent grandes consommatrices de maind’œuvre (balèvres, cueillis…). L’exemple suivant propose une méthodologie facilitant le choix final.

III - RÉALISATION

C. Incidence sur la mise en œuvre Comparaison entre l’exécution traditionnelle et la préfabrication – Le gain n’est souvent pas immédiat et seule une étude approfondie plus globale peut conclure s’il y a eu effectivement gain ou non. Il faut en effet comparer l’exécution en traditionnel entièrement réalisée sur place avec des modes opératoires faisant plus ou moins appel à la préfabrication.

DE PLANCHERS

Le tableau 1 recense divers modes de réalisation et les compare du point de vue des tâches successives à exécuter sur place par les équipes qui en assurent la mise en œuvre. Une autre source de gain peut provenir d’une diminution des frais de chantier.

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La préfabrication : le point de vue de l’entrepreneur 1.

2.

Pourquoi recourir à la préfabrication ? ............................................. I – Avantages liés à la préfabrication......................................................... II – Contraintes liées à la préfabrication .................................................... A. Notion de séquence constructive ...................................................... B. Assemblages et précision dimensionnelle........................................ C. Amortissement du matériel – Coût de fabrication............................ D. Transport des éléments préfabriqués ............................................... E. Levage et montage des pièces ........................................................... F. Nécessité d’un stockage...................................................................... 1. Préfabrication usine.......................................................................... 2. Préfabrication foraine....................................................................... G. Mode de stockage ............................................................................... Préparation de l’exécution ................................................................... I – Conformité avec le dossier du marché................................................. II – Prise en compte du facteur temps ....................................................... A. Délais antérieurs à la fabrication ....................................................... B. Élaboration des plannings de préfabrication et de pose ................. III – Étude technique – Élaboration des plans d’exécution des ouvrages (PEO) ............................................................................................................ A. Choix des méthodes d’exécution et définition des modes opératoires ......................................................................................................... B. Méthodologie.......................................................................................

TBA1215 - 2 — 2 — 2 — 3 — 3 — 3 — 4 — 6 — 7 — 7 — 7 — 7 — — — — —

10 10 10 10 10

—

11

— —

11 13

our l’entrepreneur, la préfabrication peut se révéler très intéressante dans la mesure où elle permet (notamment) un gain de temps et de productivité. En effet, grâce à la préfabrication, il est possible de concevoir les composants avant le montage in situ, ce qui a des conséquences positives sur le planning du chantier. Mais l’entrepreneur doit impérativement tenir compte des multiples contraintes que cela implique. Ces avantages et inconvénients font l’objet de la première partie de cet article. La deuxième partie de cet article s’intéresse à la préparation de l’exécution autrement dit à tous les éléments qu’il faut prendre en compte avant le début du chantier : étudier les délais antérieurs à la préparation, procéder à l’élaboration des plannings de préfabrication et de pose, faire l’étude technique qui inclut le choix des méthodes d’exécution, des modes opératoires et l’élaboration des plans d’exécution,… Une méthodologie est d’ailleurs proposée. Le lecteur est invité à consulter également les articles : Procédé des composants industriels TBA1200, L'économie du projet TBA1210 et Préfabrication : études de cas TBA1220, pour plus de détails sur ces différents sujets.

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LA PRÉFABRICATION : POINT DE VUE DE L'ENTREPRENEUR

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Pourquoi recourir à la préfabrication ? La préfabrication permet d’appliquer au chantier de construction des méthodes d’organisation utilisées couramment dans l’industrie et de réaliser des gains de productivité importants. C’est une pratique courante qui présente beaucoup d’avantages mais en contrepartie présente un certain nombre de contraintes qu’il convient d’estimer et d’étudier avec attention.

2 I - AVANTAGES

LIÉS À LA PRÉFABRICATION

La préfabrication permet donc de s’affranchir en partie des opérations traditionnelles complexes assujetties sinon à se dérouler en un lieu et à un moment précis.

Les avantages liés à la préfabrication sont ressemblés à la figure 1.

Bénéfices dus à la répétition – La répétition consiste à réaliser un certain nombre de fois le même objet ou une même séquence opératoire avec le même matériel. Nous rappelons brièvement ces avantages : • la répétition permet d’envisager la mécanisation : en effet un grand nombre de réemplois permet un meilleur amortissement du matériel ; • la mécanisation est liée bien sûr au progrès technologique et évolue constamment ; • la répétition permet une diminution du temps passé, même dans une technologie uniquement manuelle. Elle permet en effet de bénéficier des effets favorables de l’apprentissage et de l’accoutumance. Simplification de la réalisation « in situ » – Le plus souvent le recours à une solution par préfabrication permet de simplifier la réalisation sur place. Par exemple, les problèmes d’étaiement et de coffrage à grande hauteur trouvent souvent une solution heureuse. La pose de poutres préfabriquées ou de prédalles est ainsi couramment utilisée ! Spécialisation de la main-d’œuvre – En introduisant une répétition dans le travail, en utilisant des coffrages outils adaptés, en travaillant au même endroit, la préfabrication permet d’utiliser une main-d’œuvre relativement peu qualifiée et plus spécialisée qui travaille avec un meilleur rendement.

Fig. 1 : Pourquoi utiliser les composants préfabriqués ?

En résumé, la préfabrication a généralement des effets bénéfiques :

Dissociation entre « fabrication » et « montage » – La préfabrication autorise une double dissociation :

• l’organisation est souvent meilleure ;

• dissociation « dans l’espace » : pour les éléments préfabriqués, une partie des opérations de construction n’est pas réalisée à leur emplacement futur sur l’ouvrage mais au poste de préfabrication (usine ou chantier). Il y a donc une répercussion sur l’organisation du travail et des avantages : interventions à l’abri si nécessaire, travail au niveau du sol. On peut donc noter l’incidence favorable du point de vue des intempéries ;

• la main-d’œuvre est moins qualifiée et plus spécialisée ;

• le matériel est plus perfectionné ;

• le matériel peut être mieux amorti ; • la productivité est supérieure ; • le temps d’exécution est raccourci.

II - CONTRAINTES

• dissociation dans le temps : la préfabrication peut commencer avant le montage « in situ », d’où une répercussion sur le planning : un certain nombre de tâches qui étaient « enchaînées » deviennent « libres ».

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LIÉES À LA PRÉFABRICATION

Les contraintes liées à la préfabrication sont rassemblées à la figure 2.

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LA PRÉFABRICATION : POINT DE VUE DE L'ENTREPRENEUR Tolérances – Le problème des « tolérances » ne se pose jamais de manière isolée, mais garantit la possibilité d’assembler divers composants entre eux, ce qui renvoie à une coordination dimensionnelle entre corps d’état. Les normes françaises NF P 04-101 et 103 traitent de la notion d’écart dimensionnel et de tolérance. On rappelle ici les diverses méthodes utilisables dans la pose d’un élément préfabriqué : • Positionnement : – pose sur tracé (écart ponctuel 1cm) ; – pose à réglage en 3 dimensions (allège…) ; – pose forcée avec autoguidage (Ex : goujon, tenons et bossages) ; – pose « touche à touche » (risque de cumul d’erreurs). Fig. 2 : Les contraintes liées à la préfabrication.

• Réglage en hauteur :

A. Notion de séquence constructive

– plaquettes, cale ; – boulons ; – vis calantes.

2

• Réglage de verticalité généralement réalisée par étais tirantspoussants.

Analyser chaque séquence – Généralement, un bâtiment est constitué de parties d’ouvrages réalisées sur place et de composants industrialisés.

Exemple

Chaque séquence constructive doit être analysée au regard des problèmes d’assemblages et de compatibilité géométrique des composants préfabriqués insérés au cours de la séquence. Ces préoccupations sont déterminantes chaque fois que l’on a à fixer les cotes de fabrication d’éléments préfabriqués ou à décider d’un calepinage.

L’exemple suivant permet de détailler la mise en œuvre de poteaux préfabriqués. Fabrication des éléments : chaque poteau présente à sa partie inférieure une broche HA12 et à sa partie supérieure un tube en acier de diamètre 33 mm. Une douille soudée sur chaque tube reçoit une vis de réglage (cf. Fig. 3). Mise en œuvre : une visée au niveau de chantier permet de régler la hauteur de sortie de la vis avant présentation du poteau. Le repos de l’arase inférieure du poteau sur la tête de cette vis impose donc la mise à niveau en ce point. Le tube est rempli de mortier sans retrait puis le poteau est présenté avec la grue au droit de son emplacement (cf. Fig. 4). Il reste à l’équipe de pose à engager la broche dans le tube acier du poteau du niveau inférieur. La pose est donc forcée avec autoguidage grâce à l’ensemble « tube - broche ». Deux étais tire-pousse permettent de régler l’aplomb. Une cale est disposée sur la face opposée à la vis et le joint est maté au mortier sans retrait.

La métaphore des poupées russes illustre bien les problèmes d’assemblage et la notion de séquence constructive. Interdépendence des séquences constructives – Un des facteurs est en effet constitué par la dépendance des différentes séquences de la construction. Ainsi, un composant posé à un stade donné du chantier va être suivi d’autres ouvrages ou d’autres familles de composants dont le dimensionnement sera éminemment dépendant de la position de tous les autres ouvrages précédemment réalisés. Il faut donc tenir compte des effets de la dépendance du contenu par rapport au contenant. L’aspect temporel de la notion de séquence implique l’ordre chronologique de pose de cet ensemble.

B. Assemblages et précision dimensionnelle

C. Amortissement du matériel – Coût de fabrication

Contraintes d’assemblage – Les contraintes d’assemblage sont les suivantes :

Avantages de la préfabrication – Outre les facilités de réalisation qu’elle autorise (travail à grande hauteur, technologie difficilement utilisable sur chantier telle que la précontrainte par fils adhérents…) ou de la qualité du produit fini (parements, arêtes…) qu’elle permet d’obtenir, la préfabrication est génératrice de gain sur le temps d’exécution mais aussi d’économie sur le projet sous certaines conditions.

• les éléments préfabriqués doivent « s’adapter » aux éléments réalisés en place ; • les éléments doivent pouvoir être « assemblés » entre eux ; • les produits sont conçus et fabriqués pour un nombre limité d’emplois dans la construction.

Optimiser l’amortissement du matériel – Il faut en effet veiller à optimiser l’amortissement du matériel, ce qui s’obtient en maximisant le nombre de réemplois et donc grâce à une rotation accélérée des moules de préfabrication.

À ce titre, il convient de les opposer aux matériaux amorphes du type ciment, gravier, ou aux semi-produits du type : profilés, plaques, blocs. C’est-à-dire des matériaux ayant déjà reçu une forme mais susceptibles d’emplois multiples dans l’ouvrage.

Avant toute décision, il convient de comparer, pour une séquence donnée, les coûts : • de sa réalisation « en place » par les moyens traditionnels ;

Il faut donc pouvoir assembler ces composants, ce qui suppose respecter des précisions en forme et dimensions et des règles de « jeu ».

• du mixte « préfabrication plus ou moins partielle » (sur chantier ou provenant d’usine) et pose de ces éléments fabriqués.

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LA PRÉFABRICATION : POINT DE VUE DE L'ENTREPRENEUR

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Fig. 3 : Positionnement du poteau – Pose forcée par broche.

D. Transport des éléments préfabriqués

A priori et sauf justification particulière (voir ci-dessus) la dernière solution doit être moins onéreuse.

Veiller à la sécurité – Dans le cas d’une préfabrication usine, il faut envisager le transport sur des véhicules ou remorques aménagés à cet effet ; ceux-ci doivent posséder des dispositifs permettant d’arrimer chaque élément afin qu’ils ne puissent basculer ou se déplacer longitudinalement (cf. Fig. 5). On doit pouvoir procéder aux manœuvres d’élingage en toute sécurité.

Ne pas oublier dans ce bilan chiffré : • en cas de fabrication foraine : – les frais d’installation de l’aire de préfabrication ;

Les responsables de l’étude doivent bien choisir l’itinéraire à utiliser pour le transport sur route mais aussi contrôler les accès sur chantier en raison des dimensions importantes des véhicules.

– les frais de montage/démontage, y compris préparation du terrain et des abords ; • en cas de sous-traitance, le coût d’acquisition des éléments livrés sur chantier :

Généralement, on peut escompter pour la remorque les dimensions suivantes :

– le coût de mise en œuvre y compris engin de levage et accessoires tels que palonnier, élingues ;

• une longueur de 7 m ;

– divers frais de location ;

• une hauteur de 3,50 m ;

– le coût de la sécurité aux différents stades.

• une largeur de 2 à 2,50 m.

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Préfabrication : études de cas

1.

Réalisation d’un bâtiment semi-préfabriqué ................................... I – Descriptif sommaire............................................................................... II – Étude de la préfabrication .................................................................... A. Dénombrement des éléments préfabriqués .................................... B. Intervention du bureau des méthodes ..............................................

2.

Choisir le mode constructif le plus adéquat pour un immeuble de 6 étages ................................................................................................ I – Descriptif sommaire............................................................................... II – Étude du mode opératoire « tout couler en place » ........................... A. Réalisation des voiles brisés (niveaux 2 et 5) ................................... B. Réalisation des voiles supérieurs (niveaux 3 et 6)............................ C. Conclusion .......................................................................................... III – Étude du mode opératoire avec préfabrication partielle .................. IV – Étude du mode opératoire « tout préfabriquer » ............................. V – Conclusion.............................................................................................

— — — — — — — — —

7 7 7 7 7 8 8 8 8

Choisir la méthode d’exécution de planchers à dalle pleine en immeubles d’habitation la plus économique............................. I – Descriptif sommaire............................................................................... II – Méthodologie ........................................................................................ III – Différentes options............................................................................... A. Solution « prédalles foraines » .......................................................... B. Solution « tables coffrantes »............................................................. C. Solution « prédalles industrielles ».................................................... IV – Bilan final et choix ...............................................................................

— — — — — — — —

12 12 13 13 13 16 18 18

Définir une préfabrication de bâtiment industriel comportant des portiques en béton armé ............................................................... I – Descriptif sommaire............................................................................... II – Méthode d’exécution ............................................................................ III – Étude de la fabrication .........................................................................

— — — —

20 20 20 24

3.

4.

TBA1220 - 2 — 2 — 2 — 2 — 3

près avoir dressé un panorama des composants industriels préfabriqués (suivant leur adaptation à la nature de l’ouvrage) dans l’article : Procédé des composants industriels TBA1200, s’être intéressé à la préfabrication comme source éventuelle d’économie dans l’article : L'économie du projet TBA1210 et à la préfabrication du point de vue de l'entrepreneur dans l’article : TBA1215, cet article présente quatre études de cas : – l’étude de la préfabrication pour la réalisation d’un bâtiment semi-préfabriqué (§1) ; – une étude concernant la recherche du mode constructif le plus adéquat pour un immeuble de six étages (§2) ; – une étude concernant la recherche de la méthode d’exécution de planchers à dalle pleine la plus économique dans le cadre de la construction d’un immeuble d’habitation (§3) ; – et enfin une étude permettant de définir une préfabrication de bâtiment industriel comportant des portiques en béton armé (§4). Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140 pour plus d’informations sur le béton armé.

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

1

Réalisation d’un bâtiment semi-préfabriqué

I - DESCRIPTIF

2

• le contreventement transversal du bâtiment est obtenu grâce à un mur en maçonnerie d’agglomérés de béton de 0,15 m d’épaisseur au droit de la file D.

SOMMAIRE

Structure – Le bâtiment comportant un RC et un étage présente la structure suivante :

Préfabrication des éléments – La préfabrication des éléments de façade est réalisée sur chantier par l’entreprise de gros œuvre et les prédalles sont fabriquées en usine comme les poutres précontraintes à fils adhérents.

• les façades sont porteuses et comportent un système « poteaux - linteaux » ; • les planchers en dalle pleine sont coulés sur des prédalles ;

Plans – Les plans (cf. Fig. 1 et 2) montrent le principe de conception de la structure, chaque niveau présentant quelques changements mineurs (trémies, dimensions de prédalles…).

• des poutres principales en béton précontraint reportent les charges de plancher sur les poteaux de façade ;

Fig. 1 : Élément de façade.

II - ÉTUDE

DE LA PRÉFABRICATION

A. Dénombrement des éléments préfabriqués Première étape de l’étude – L’étude débute par le dénombrement des éléments à préfabriquer sur chantier et à fabriquer en usine (cf. Tab. 1 à 3).

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

2

Fig. 2 : Plan de coffrage plancher – Calepinage des prédalles.

Tab. 1 – Dénombrement des poteaux et linteaux en BA

Tab. 3 – Dénombrement des prédalles

Éléments de façade

Prédalles en béton armé

Type

Référence

Nombre

Poteaux courants

Pc

20

Poteaux d’angle

Pa

23

Linteaux

L

8

Poteaux courants

Pc

20

Poteaux d’angle

Pa

23

Linteaux

L

8

Référence Nombre Haut du RC

RC

1er étage

Haut du 1

Tab. 2 – Dénombrement des éléments fabriqués en usine

er

Dimensions (en mètres)

Da

8

3,80*2,42

Db

25

3,39*2,42

Dc

2

3,80*1,70

Dd

7

3,39*1,70

De

1

3,39*2,08

Df

1

3,39*2,37

Total

44

Da

8

3,80*2,42

Db

26

3,39*2,42

Dc

2

3,80*1,70

Dd

7

3,39*1,70

De

1

3,39*2,08

Total

44

Poutres précontraintes Type

Référence

Nombre

Haut RC

Poutres précontraintes à fils adhérents

Pp

8

Haut 1er étage

Poutres précontraintes à fils adhérents

Pp

8

B. Intervention du bureau des méthodes Le bureau des méthodes procède alors à l’étude technique (conception des moules, analyse de fabrication) puis économique en comparant diverses options pour la préfabrication (nombre de moules, thermomaturation ou non…). L’entreprise a pris ainsi les options suivantes pour l’organisation générale du chantier, après concertation avec le bureau d’études et le fabricant des poutres et prédalles.

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS Réalisation des façades (préfabrication réalisée sur chantier) –

Réalisation des planchers – 1/ Approvisionnement du chantier. Afin d’éviter toutes manutentions supplémentaires, les poutres précontraintes et prédalles sont livrées sur le chantier le jour de leur pose, par camions de 22 t de charge utile. Prédalles et poutres ne peuvent être chargées dans le même camion, car le transport nécessite des équipements différents adaptés à la nature des éléments transportés.

1/ Cadences de fabrication Les éléments de façade (poteaux et linteaux) sont fabriqués sur chantier grâce à six bancs de préfabrication réalisés à l’aide de tables de coffrage horizontales. Ces tables sont utilisées indifféremment pour couler poteaux et linteaux grâce à des aménagements (accessoires, mannequins de réservation, joues amovibles et réglables). Le chantier peut ainsi fabriquer 6 éléments par jour. La fabrication est prévue par une équipe travaillant en continu, sans arrêts autres que les week-ends.

2/ Cadence de pose des préfabriqués usine et de réalisation du plancher : • une équipe spécialisée assure la pose et le clavetage de l’ensemble des poutres d’un niveau en un jour et demi ; • la totalité des prédalles de ce niveau est alors mise en œuvre à raison de 6 travées par jour ; • la préparation du coulage (ferraillage complémentaire, mise en place des gaines et des réservations) prend la journée suivante ; • une journée supplémentaire est nécessaire pour le surfaçage, le durcissement du béton, le traçage et la préparation de la pose des éléments de façades de l’étage supérieur.

2/ Délai de durcissement. Aucune thermomaturation du béton n’est prévue. Le BET exige un délai d’attente de 3 jours entre la fin du coulage d’un élément et sa pose.

2

3/ Cadence de pose. L’entreprise prévoit d’affecter une équipe à la mise en œuvre des préfabriqués ; cette phase comporte la manutention depuis le lieu de stockage, la présentation de l’élément préfabriqué et les réglages divers nécessaires, le ferraillage complémentaire et le clavetage par un béton complémentaire coulé en place. Compte tenu de son effectif, cette équipe peut poser chaque journée 11 éléments.

Durée des tâches – La durée des tâches est résumée au tableau 4.

Tab. 4 – Durée des tâches Tâches

Quantités

Éléments RC de er façade 1 étage

Cadence préfabrication

Durée préfabrication

Cadence pose

Durée pose

51

6 u/j

9j

11 u/j

5j

51

6 u/j

9j

11 u/j

5j

Poutres Haut RC

8

Prédalles Haut RC

44

Poutres Haut 1er

8

Prédalles Haut 1er

44

Fait en usine

1,5 j 6 travées /j

1,5 j

Planchers 1,5 j 6 travées /j

Étude de la planification

élémentaires (cf. Tab. 4, dernière colonne) de chaque tâche et construire le planning de réalisation du plancher haut du RC (cf. Fig. 3) puis le planning montrant l’enchaînement « pose des façades » - « réalisation des planchers » (cf. Fig. 4).

1/ Tâches réalisées in situ À partir des données précédentes fournies par le bureau des méthodes, le responsable de l’exécution peut fixer la séquence de réalisation d’un plancher grâce aux durées

Fig. 3 : Réalisation du plancher haut du rez-de-chaussée.

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1,5 j

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

Fig. 4 : Planning général de réalisation de la structure.

2

2/ Calage de la préfabrication par rapport à la pose (cf. Fig. 5).

Fig. 5 : Calage de la préfabrication.

La date correspondant au jour « J 29 » doit correspondre à la date contractuelle de fin de plancher haut du 1er étage.

La cadence de pose (11 éléments par jour) est supérieure à celle de la préfabrication (6 éléments par jour). Ce chantier correspond au cas de la figure 6.

3/ Évaluation du stock Le positionnement « au plus tard » de la préfabrication des éléments de façade par rapport à la pose minimise le stock sur chantier. Le stock est néanmoins important puisqu’il atteint 48 éléments de façade (linteaux et poteaux) les jours 8 et 19 comme le montre la courbe de stock (cf. Fig. 6). Par contre, il occasionne une interruption de 2 jours dans le travail de l’équipe « préfabrication ». Il est bien sûr possible d’organiser pour cette équipe un travail en continu en débutant la deuxième campagne de préfabrication dès la fin de la première. Dans ce cas, le stock s’élèvera à 12 éléments de plus. Ces éléments étant linéaires, leur stockage est réalisable assez facilement et nécessite relativement peu de place. A priori, c’est la solution recommandée, sauf manque de place sur le chantier.

Le début de la préfabrication des éléments de façade pour le RC doit être donc déduit de la fin de leur pose, en respectant le délai de durcissement. Il reste à compléter le planning avec les tâches de réalisation des planchers du rez-de-chaussée mises « bout à bout » sans interruption, puis d’enclencher en continu la pose des façades du 1er étage. La préfabrication des éléments de façade du 1er est déduite de la fin de pose de ceux-ci. Ce planning doit être transformé en planning calendaire. Cette transformation est généralement avantageuse du point de vue du durcissement du béton ; ne travaillant que 5 jours sur 7, il est possible de gagner ainsi 2 à 3 jours sur le durcissement des derniers éléments fabriqués.

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67

TBA1220 - 5

Référence Internet TBA1220

PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

2

Fig. 6 : Éléments de façade.

Planning d’approvisionnement sur le chantier – À partir du planning calendaire, on déduit les dates d’approvisionnement (cf. Fig. 7).

Fig. 7 : Planning d’approvisionnement.

TBA1220 - 6

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68

Référence Internet TBA1225

Les produits préfabriqués en béton

1.

Murs et cloisons ......................................................................................

1.1

Maçonneries ................................................................................................

TBA1225 - 2 —

2

1.2

Éléments de façade et architecturaux .......................................................

—

11

2.

Produits pour planchers ........................................................................

—

17

2.1

Systèmes de plancher à poutrelles entrevous .........................................

—

17

2.2

Prédalles ......................................................................................................

—

22

2.3

Dalles alvéolées ..........................................................................................

—

24

3.

Autres produits pour le bâtiment ......................................................

—

25

3.1

Poutres, poteaux et éléments d’ossatures................................................

—

25

3.2

Autres produits ...........................................................................................

—

29

es premiers produits industriels en béton sont apparus dans la seconde partie du XIXe siècle lorsque le béton armé a commencé à se développer. Ce n’est que beaucoup plus tard que des usines capables de fabriquer des produits en béton en série commencèrent à fonctionner. Au début, elles présentaient un caractère artisanal, disparu aujourd’hui. De nos jours, en effet, les usines disposent de moyens de fabrication élaborés et très automatisés, leur permettant de fournir des produits de qualité aux caractéristiques régulières et garanties grâce à : • un effort de normalisation et de certification intensif qui a permis de caractériser la plupart des produits par des spécifications précises ; • une politique de développement de « marques de qualité » (marque NF, par exemple) dont l’objet est d’indiquer à l’utilisateur que les produits disponibles sont conformes à leurs besoins et aux spécifications fixées dans les textes normatifs ; • un effort de recherche permanent visant à : – mieux connaître les techniques de fabrication des produits et, donc, à mieux les maîtriser afin d’assurer une grande régularité de la qualité des produits, – améliorer les diverses performances du matériau béton et, en particulier, ses caractéristiques mécaniques et sa durabilité (exemple : les bétons à hautes performances BHP), – approfondir le comportement des produits en œuvre afin d’assurer les fonctions particulières auxquelles ils sont destinés et diminuer les coûts de conception, de construction et d’exploitation des ouvrages correspondants. Par leur diversité, les produits en béton participent largement à la construction des bâtiments et des ouvrages de génie civil où ils apportent des réponses à des fonctions très variées. La production totale de l’industrie du béton était, en 2005, de 31 millions de tonnes de produit, répartis essentiellement sur deux marchés : le bâtiment (73,5 % du tonnage, 62 % du CA) et les travaux publics (respectivement, 26,5 % et 38 %). Le tout représente un chiffre d’affaires (départ usine) hors taxes d’environ 2,6 milliards d’euros. La même année, cette industrie était constituée de 708 entreprises qui regroupent 960 usines représentant un peu plus de 19 700 salariés. La présentation de l’ensemble des produits en béton peut se faire, par exemple, selon la fonction qu’ils assurent, ou selon leurs destinations. C’est cette seconde solution qui a été retenue ici.

Juin 2012

L

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TBA1225 - 1

2

Référence Internet TBA1225

LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

1

Murs et cloisons

1.1 Maçonneries Les blocs, généralement de forme parallélépipédique, ont un poids et des dimensions qui permettent de réaliser des parois de géométrie complexe et qui les rendent manuportables lors de leur mise en œuvre.

2

La production de blocs atteint près de 16 millions de tonnes (chiffres 2005). Ils sont fabriqués dans plus de 400 usines dont 300 sont titulaires de la marque NF. En France, près de 7 maçonneries sur 10 sont réalisées avec des blocs en béton.

I - FAMILLES

• selon la nature du matériau constitutif :

DE PRODUITS

– béton de granulats courants et légers ; – béton cellulaire autoclavé.

L’ensemble des blocs correspond à deux familles : – les blocs traditionnels qui font l’objet de normes européennes et de compléments nationaux (plus de 95 % des produits); – les blocs non conformes aux normes produits, et/ou dont la mise en œuvre ne relève pas de DTU, font aujourd’hui l’objet d’une procédure d’Avis technique.

• selon la structure interne définie dans l’Eurocode 6. Ce classement en groupe est effectué à partir des épaisseurs de parois et de pourcentages de matière du volume brut (cf. Tab. 1) : – blocs pleins ou perforés (groupe 1); – blocs creux à alvéoles débouchantes verticales (groupe 2 et 3) ; – blocs creux à alvéoles débouchantes horizontales (groupe 4) ; ce type de bloc pour le béton n’existe pas en France.

Les blocs traditionnels peuvent être classés de différentes manières :

Tab. 1 – Classification en groupe des blocs de granulats courants et légers en fonction des alvéoles et des épaisseurs de parois Volume total des alvéoles (en % du volume total brut)

Volume de chaque alvéole (en % du volume total brut)

Volume de chaque trou de préhension (en % du volume total brut)

Volume total des trous de préhension (en % du volume total brut)

Épaisseurs minimales des parois externes (en mm)

Épaisseurs minimales des parois internes (ou cloisons) (en mm)

Épaisseurs cumulées des parois internes et externes (en % de la largeur totale)

Groupe 1

≤ 25

≤ 12,5

≤ 12,5

Groupe 2 (alvéoles verticales)

> 25 et ≤ 60

≤ 30

≤ 30

18

15

≥ 18

Groupe 3 (alvéoles verticales)

> 25 et ≤ 70

≤ 30

≤ 30

15

15

≥ 15

Groupe 4 (alvéoles horizontales)

> 25 et ≤ 50

≤ 25

20

20

≥ 45

À noter : • Dans le cas d’alvéoles coniques ou circulaires, la valeur moyenne de l’épaisseur est à considérer • Les éléments en béton cellulaire autoclavé et ceux en pierre reconstituée sont considérés comme appartenant au groupe 1 • Les éléments des groupes 2 et 3, dont les alvéoles verticales sont complètement remplies de béton, sont considérés appartenir au groupe 1 (blocs à bancher ou de coffrage) • En France, les spécifications relatives aux épaisseurs des parois sont : – ≥ 30 mm, pour les blocs de parement destinés à la réalisation de murs extérieurs ; – ≥ 20 mm, pour les blocs de granulats légers à enduire ; – ≥ 17mm, pour les blocs de granulats courant à enduire. Toutefois, il est possible d’avoir des épaisseurs de parois plus faibles, si la conformité de leur résistance aux chocs est démontrée par un essai de tenue aux chocs

TBA1225 - 2

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Référence Internet TBA1225

LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON Les dimensionnements mécaniques et au feu des maçonneries, selon l’Eurocode 6, se basent sur cette classification :

• selon le mode de pose (défini par rapport à la nature du joint horizontal) :

• selon leur destination :

– montage à joints épais (10 à 15 mm d’épaisseur) : blocs à maçonner ; – montage à joints minces (≤ 6 mm) : blocs à coller ; – montage à sec : blocs à emboîtement.

– blocs à enduire ; – blocs apparents dont le béton constitutif doit assurer, par luimême, l’étanchéité du mur (cf. Fig. 1).

Blocs lisses

2

Blocs striés

Blocs splités

Fig. 1 : Blocs apparents.

Afin de faciliter la mise en œuvre, certains blocs peuvent présenter des formes d’abouts à emboîtement vertical.

Les caractéristiques des blocs traditionnels sont définies par les normes européennes et les compléments nationaux correspondants.

• selon la partie de l’ouvrage à traiter :

Pour les blocs considérés comme non traditionnels, c’est la Commission des Avis techniques (groupe spécialisé n° 16) qui précise leurs caractéristiques, cas par cas.

– blocs courants pour les parties courantes (cf. Fig. 2) ; – blocs accessoires (blocs linteaux, de coupe, d’about de mur, à feuillures, planelles pour about de plancher, d’angle…) pour les parties d’ouvrage correspondantes (cf. Fig. 3) ;

II - CARACTÉRISTIQUES

• selon leur contribution à la stabilité de l’ouvrage :

PRINCIPALES

Elles sont définies par les normes :

– blocs de cloison ne participant pas à la résistance mécanique de la structure ; – blocs de structure participant à la stabilité mécanique de l’ouvrage ; – blocs de coffrage ou à bancher permettant d’obtenir des voiles de béton continus et discontinus participant à la stabilité mécanique de l’ouvrage (cf. Fig. 4 et 5).

– NF EN 771-3 - Nov. 2005. Spécifications pour éléments de maçonnerie en béton de granulats courants et légers et son complément national NF EN 771-3/CN - Avril 2007 ; – NF EN 771-4 - Nov. 2005. Spécifications pour éléments de maçonnerie en béton cellulaire autoclavé et son complément national NF EN 771-4/CN - Mai 2007 ;

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TBA1225 - 3

Référence Internet TBA1225

LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

Blocs creux en béton de granulats courants ou légers, à deux rangées d’alvéoles

Blocs pleins en béton cellulaire autoclavé avec trous de préhension

2

Blocs perforés et blocs pleins, en béton de granulats courants ou légers

Fig. 2 : Blocs courants.

Blocs d’angle

Blocs à feuillures

Blocs linteaux

Fig. 3 : Exemples de blocs accessoires.

TBA1225 - 4

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Référence Internet TBA1225

LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

2

Fig. 4 : Blocs à bancher.

Fig. 5 : Coulage du béton avec des blocs à bancher.

– NF EN 771-5 - Nov. 2005. Spécifications pour éléments de maçonnerie en pierre reconstituée et son complément national NF EN 771-5/CN - Mai 2007.

– NF EN 15435. Blocs de coffrage en béton de granulats courants et légers et son complément national XP NF EN 15435/ CN.

Quant aux blocs à bancher ou de coffrage, les normes sont les suivantes :

Dimensions – Les produits sont désignés par « longueur, largeur, hauteur » exprimés en mm. La classification des dimensions est donnée par le complément national (cf. tableaux 2 à 4).

– NF EN 15498. Blocs de coffrage non porteurs en béton de bois ;

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Référence Internet TBA1225

LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON Tab. 2 – Blocs à enduire en béton de granulats courants et légers Dimensions de fabrication correspondantes (mm) Dimensions de coordination modulaire (mm)

Longueur

2

Largeur (épaisseur du bloc)

Hauteur

Blocs à maçonner Blocs à coller

Blocs courants

Blocs à emboîtement

Blocs non parallélépipédiques

300

294

296

Longueurs de fabrication déclarées

400

394

396

398

500

494

496

498

600

594

596

598

50 1)

50

50

50

75

75

75

75

100

100

100

100

125

125

125

125

150

150

150

150

148

175

175

175

175

173

200

200

200

200

198

225

225

225

225

250

250

250

250

275

275

275

275

300

300

300

300

325

325

325

325

200

190

190

190

196 ou 198 2)

250

240

240

240

246 ou 248 2)

300

290

290

290

296 ou 298 2)

298

1) Ou 45 mm pour une utilisation régionale. 2) Pour les blocs à coller, la hauteur de fabrication est fonction de la catégorie de tolérance. Les cotes 198, 248 ou 298 mm sont associées à la catégorie de tolérance D4 (tableau 5).

Tab. 3 – Blocs de parement en béton de granulats courants et légers Dimensions de coordination modulaire (mm) Longueur (L)

100 – 150 – 200 – 250 – 300 – 350 – 400 – 450 – 500 – 550 – 600

Largeur (l) (épaisseur du bloc)

50 – 100 – 150 – 200

Hauteur (h)

100 – 150 – 200 –250 – 300

Dimensions de fabrication correspondantes (mm) : Elles sont identiques aux dimensions de coordination ci-dessus, réduites de 10 mm, que les blocs soient à maçonner ou à coller.

TBA1225 - 6

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Référence Internet TBA1225

LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON Tab. 4 – Blocs en béton cellulaire autoclavé Dimensions maximales d’appellation et de fabrication (mm)

Tab. 6 – Tolérances dimensionnelles des blocs de béton cellulaire selon le type de joints

Longueur (L)

1 500

Largeur (l)

600

Hauteur (h)

Dimensions (mm)

1 000

Tolérances dimensionnelles – Les produits sont désignés selon leur classe de tolérances (cf. tableaux 5 et 6).

Tab. 5 – Tolérances dimensionnelles des blocs en béton de granulats courants et légers

Mortier d’usage courant (G) ou mortier allégé (L)

Mortier de joints minces (T) de type (A) ou (B)

GL

TA

TB

Longueur (L)

+3 –5

±3

± 1,5

Largeur (I)

±3

±2

± 1,5

Hauteur (h)

+3 –5

±2

Planéité des faces de pose

aucune exigence

aucune exigence

≤1

Parallélisme des faces de pose

aucune exigence

aucune exigence

≤1

Appellation des produits

Classe de tolérances

Tolérances (mm)

Blocs à enduire à maçonner

D1

(L+−35 ; l −+53 ; h−+53 )

Blocs de parement à maçonner

D2

(L+−13 ; l −+31 ; h ± 2)

Blocs à enduire à coller

D3

(L+−13 ; l −+31 ; h ± 1,5)

Résistance mécanique – Les normes stipulent qu’il y a deux catégories de blocs :

D4 1)

(L+−13 ; l −+31 ; h ± 1)

– catégorie I : blocs dont la résistance est garantie à 95 % ; – catégorie II : autre que catégorie I.

Blocs à enduire et de parement à coller

Les compléments nationaux spécifient la classification des produits et stipulent que la résistance est garantie au délai de livraison (cf. tableaux 7 et 8).

1) Pour D4, la spécification est complétée d’une exigence sur le parallélisme et la planéité des faces d’appui.

Tab. 7 – Classe de résistance à la compression des blocs en béton de granulats courants et légers Blocs à enduire Appellation des produits

Granulats légers (MVn < 1 750 kg/m3)

Blocs de parement

Granulats courants (MVn ≥.- 1 750 kg/m3)

Granulats légers (MVn < 1 750 kg/m3)

Granulats courants (MVn ≥ 750 kg/m3)

Résistance caractéristique1) correspondante (Rc) MPa

Classes de résistance Blocs creux

L25 L40

Blocs pleins ou perforés

2,5 B40

LP40

4,0

LP55

5,5

B60

P60

6,0

B80

P80

8,0

P120

12,0

L35

3,5

L45 L70

LP45

4,5

LP70

7,0

B80

8,0

B120

P120

12,0

B160

P160

16,0

P200

20,0

1) Résistance caractéristique (Rc) garantie à 95 % au délai de livraison. À noter que les valeurs des masses volumiques sèches des blocs et du béton des blocs sont, désormais, garanties avec une tolérance de ± 10 %.

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75

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2

Référence Internet TBA1225

LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON Tab. 8 – Résistance à la compression et à la traction des blocs de béton cellulaire autoclavé à l’état sec Masse volumique nominale (MVn en kg/m3) dont la tolérance est de ± 25 kg/m3

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Résistance caractéristique minimale R (MPa) pour le fractile 0,05

3,0

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

Résistance en traction par flexion minimale correspondante (MPa)

0,50

0,50

0,58

0,66

0,75

0,83

0,92

1,00

1,08

1,16

Les lettres B, L, P, LP signifient :

2

d’une couche d’air, de même épaisseur et dans les mêmes conditions.

– B: blocs en béton de granulats courants ; – L : blocs en béton de granulats légers ; – P : blocs apparents en béton de granulats courants ; – LP : blocs apparents en béton de granulats légers.

Isolation acoustique directe au bruit aérien – Les caractéristiques acoustiques sont notamment liées à la masse surfacique des produits. Le fabricant doit déclarer la masse volumique des blocs et celle du béton des blocs.

La classe représente la contrainte de rupture caractéristique, exprimée en bars.

La fiche n° 380 du mémento Qualité du CERIB donne des valeurs d’affaiblissement acoustique des blocs.

B40 = 40 bars = 4 MPa, rapportée à la section brute minimale du bloc.

Performance thermique – Les valeurs déclarées de résistance thermique sont données dans les règles Th-U « Parois opaques ». La marque NF certifie des valeurs plus favorables, après étude spécifique.

Variations dimensionnelles entre états conventionnels extrêmes – Le respect des limites permet de satisfaire aux dispositions du DTU 20.1, pour ce qui concerne les distances maximales entre joints de dilatation et la compatibilité avec les mortiers de montage et enduits courants. Ces limites, données dans les compléments nationaux respectifs, sont :

III - CARACTÉRISTIQUES

– ≤ 0,45 mm/m au délai de livraison pour des blocs en granulats courants et légers ; – ≤ 0,20 mm/m au délai de livraison pour des blocs en béton cellulaire.

Les fiches de déclaration environnementale et sanitaire (FDES) des blocs, établies selon la norme NF P 01-010, sont disponibles sur simple demande.

Absorption d’eau par capillarité – Les compléments nationaux indiquent :

Pour exemple, une synthèse des informations essentielles sur les impacts environnementaux d’un mur, constitué de blocs creux en béton de granulats courants à deux rangées alvéolées (6 au total) 500 × 200 × 200 et montés à joints épais, est donnée dans le tableau 10.

2

– un coefficient d’absorption d’eau, limité à 3 g/(m s) pour les blocs de parement destinés aux murs extérieurs ; – les valeurs du tableau 9 pour les blocs en béton cellulaire autoclavé.

Tab. 10 – Informations principales sur les impacts environnementaux d’un mur nu constitué de blocs en béton creux montés à joints épais

Tab. 9 – Coefficient d’absorption d’eau – blocs en béton cellulaire autoclavé Temps d’immersion Ab (g/dm2)

10 mn

30 mn

90 mn

45

60

80

Informations principales sur les impacts environnementaux d’un mur nu constitué de blocs en béton creux montés à joints épais

Ressources consommées

Adhérence bloc/mortier de pose – La caractéristique de résistance initiale au cisaillement des mortiers de montage performanciels, combinés à des blocs, est de (valeurs tabulées de la norme NF EN 998-2) :

Énergie primaire (MJ) dont :

1,74

– énergie renouvelable – énergie non renouvelable

0,16 1,58

Épuisement des ressources (kg équivalent antimoine) Eau (L)

2

– 0,15 N/mm pour les mortiers d’usage courant (G) et les mortiers allégés (L); – 0,30 N/mm2 pour les mortiers de joints minces (T).

Déchets solides

Résistance à la diffusion de vapeur d’eau – Sauf indication autre, le coefficient est égal à (valeur extraite de l’annexe A de la norme NF EN 1745) :

Déchets éliminés (kg) dont :

Déchets valorisés (kg)

– dangereux – non dangereux – inertes – radioactifs

– 5/15 pour les blocs en béton de granulats courants et légers ; – 5/10 pour les blocs en béton cellulaire autoclavé.

0,0006 0,83

0,006 2,37 0,00013 0,009 2,36 0,000015

Eau

Le ratio indique de combien de fois la résistance à la diffusion d’une couche de matériaux est supérieure à la résistance

TBA1225 - 8

ENVIRONNEMENTALES ET

SANITAIRES

Pollution de l’eau (m3)

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76

0,08

Techniques du bâtiment : Construire en béton armé Réf. Internet 43805

1 – Technique du béton armé 2 – La préfabrication

3



3 – Les fondations

Réf. Internet

Les différents types de fondations

TBA1250

79

Les fondations par semelles

TBA1260

81

Les fondations superficielles par semelles

TBA1261

83

Les fondations par semelles filantes

TBA1262

87

Les fondations par radiers et cuvelages

TBA1263

91

Les fondations profondes

TBA1265

95

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77

page

3

78

Référence Internet TBA1250

Les différents types de fondations

I – Les fondations superficielles par semelles ......................................... II – Les fondations par radier ..................................................................... A. Définition.............................................................................................. B. Les différents radiers........................................................................... 1. Radier nervuré .................................................................................. 2. Radier-dalle ....................................................................................... 3. Radier formant cuvelage.................................................................. III – Fondations profondes et semi-profondes.......................................... A. Justification des fondations profondes............................................. B. Types de fondations profondes ......................................................... 1. Fondations ponctuelles .................................................................... 2. Fondations linéaires ......................................................................... 3. Autres types, classés comme fondations spéciales ...................... C. Classification des fondations profondes ........................................... 1. Classification des fondations profondes selon le DTU 13.2.......... 2. Classification des fondations profondes selon le mode de fonctionnement (selon Terzaghi) ................................................... IV – Les normes ...........................................................................................

TBA1250 - 2 — 3 — 3 — 3 — 3 — 3 — 3 — 3 — 3 — 2 — 3 — 3 — 3 — 4 — 4 — —

4 4

es fondations sont des éléments essentiels d'une construction. Ce sont elles qui assurent la stabilité du bâtiment mais aussi la pérennité de la superstructure. Les fondations sont des éléments essentiels d'une construction. Ce sont elles qui assurent la stabilité du bâtiment mais aussi la pérennité de la superstructure. On trouve principalement deux types de fondation : – les fondations superficielles ; – les fondations profondes.

Décembre 2004

L

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79

TBA1250 - 1

3

3

80

Référence Internet TBA1260

Les fondations superficielles

I – Présentation – Généralités .................................................................... II – Ouvrages visés ...................................................................................... III – Problématique des ouvrages de fondations et des ouvrages enterrés A. Données des problèmes ..................................................................... 1. le milieu « sol » ................................................................................. 2. La présence de l’eau tellurique (nappe phréatique) ...................... 3. La situation de l’ouvrage.................................................................. 4. Drainage ............................................................................................ 5. Ouvrages enterrés ............................................................................ 6. Environnement de l’ouvrage ........................................................... B. Fonctions à remplir et exigences ....................................................... 1. Reprise des charges ......................................................................... 2. Conditions de stabilité...................................................................... 3. Nature des sollicitations................................................................... a) Sollicitations dues à la superstructure ........................................ b) Sollicitations dues au sol de fondation (infrastructures) .......... 4. Résistance du sol de fondation ....................................................... IV – Classement des fondations................................................................. V – Matériaux utilisés ................................................................................. A. Fondations ........................................................................................... B. Cuvelages............................................................................................. C. Ouvrages de drainage.........................................................................

TBA1260 - 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 3 — 4 — 4 — 4 — 4 — 4 — 4 — 4 — 5 — 5 — 5 — 5 — 7 — 8 — 8 — 8 — 8

es ouvrages de fondations correspondent aux ouvrages proprement dits ou aux parties de la structure qui transmettent les charges et sollicitations au « sol de fondation » ou ensemble des couches aptes à supporter sans déformations (tassements) ni rupture (effondrement) ces sollicitations. Les fondations superficielles sont caractérisées par leur faible profondeur d’ancrage dans le sol ; elles présentent généralement une semelle réalisée en béton armé. Cette caractéristique les différencie des fondations dites « profondes » (qui ont donc une profondeur d’ancrage bien plus importante). Ce type de fondation fait l’objet d’un article spécifique TBA1265Fondations profondes auquel le lecteur pourra se reporter pour plus d’informations sur le sujet.

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Référence Internet TBA1260

LES FONDATIONS SUPERFICIELLES

I - PRÉSENTATION – GÉNÉRALITÉS

Une catégorie traitée séparément peut à la fois se rattacher aux fondations superficielles et aux fondations profondes : les radiers. Ceux-ci sont à traiter en cuvelage avec des règles spécifiques s’ils sont placés dans une nappe phréatique où ils subissent l’effet des sous-pressions et pressions extérieures.

Les habitations individuelles ne comportent souvent que des fondations superficielles avec un vide sanitaire (non accessible généralement) ou un sous-sol à usage de garage, caves ou locaux techniques (chaufferie, par exemple) ou encore un dallage établi sur terre-plein.

Ouvrages enterrés – Ces ouvrages correspondent aux murs ou voiles périmétriques extérieurs (en contact avec le sol) et aux murs ou voiles de refends intérieurs ainsi qu’aux poteaux ou piles de structure.

Les constructions d’immeubles en zone urbaine nécessitent souvent de nombreux sous-sols enterrés (3 et plus) pour permettre le garage des véhicules et les dispositions d’accès (rampes ou monte-voitures).

Le rôle de ces ouvrages consiste à transmettre les sollicitations de la structure aux fondations.

Les problèmes sont souvent complexes du fait :

3

Pour les ouvrages en contact avec l’extérieur, ils jouent le rôle de soutènement des terres et doivent résister à la poussée hydrostatique d’une nappe phréatique éventuelle.

– de bâtiments existants fondés moins profond ou différemment ; – de la présence d’eau souterraine (nappe phréatique).

Cuvelages – Ces ouvrages sont placés dans une nappe phréatique. Ils comportent des ouvrages de fondation :

En ce qui concerne les locaux enterrés, et selon leurs exigences d’utilisation, des problèmes spécifiques peuvent intervenir :

– radier fondé directement sur le sol ; – radier fondé sur massifs et pieux,

– isolation thermique des parois et ventilation des locaux ; – étanchéité des parois, etc.

ainsi que des ouvrages étanches à l’eau (nappe phréatique extérieure).

Ne sont traités ici que :

Dallages – Il s’agit principalement des ouvrages plans horizontaux posés directement sur le sol et destinés à constituer des aires de circulation, travail, stockage, etc.

– les ouvrages de bâtiment, à l’exclusion des ouvrages de génie civil ; – les ouvrages neufs où la conception tenant compte des différentes exigences définies au programme de construction peut intervenir au niveau du projet.

Ces ouvrages sont rattachés aux fondations et peuvent dans certains cas (maisons individuelles) constituer les fondations de certains types de constructions légères ou traditionnelles.

Les différents problèmes qui peuvent se poser pour chaque cas de figure seront rappelés sommairement.

Ouvrages de drainage – Ces ouvrages sont des ouvrages enterrés, disposés en périmétrie des murs ou voiles. Ils sont destinés à canaliser les eaux d’infiltrations afin d’éviter qu’elles s’accumulent contre les ouvrages enterrés et qu’elles risquent de pénétrer à l’intérieur des locaux où d’interférer sur les propriétés du sol de fondations.

Les indications ne constituent que des dispositions-types permettant de « dégrossir » les problèmes de construction et de prédimensionner les ouvrages. Elles ne peuvent dispenser le projeteur d’une étude spécialisée faisant appel : – aux renseignements de base fournis par une « reconnaissance de sol » approfondie (sondage-essais) ; – à une étude de structure fournissant les sollicitations à transmettre au sol de fondation.

III - PROBLÉMATIQUE

Toute improvisation ou exploitation « non concertée » des éléments donnés par les fiches suivantes pourrait conduire à des désordres ou sinistres graves et difficiles à traiter au niveau des réparations.

A. Données des problèmes

DES OUVRAGES DE FONDATIONS ET DES OUVRAGES ENTERRÉS

Pour plus de renseignements sur les calculs de définitions et de réalisations des fondations superficielles, nous conseillons au lecteur de se reporter au site : http://www.techniquesingenieur.fr/ (Article C246).

II - OUVRAGES

1. le milieu « sol » Reconnaissance du sol et type de fondations – Il doit être parfaitement défini dans la zone de construction pour l’établissement du projet de fondation et le choix du mode de fondation (superficiel ou profond). La reconnaissance du sol, avec sondages, essais (laboratoire ou in situ) est indispensable.

VISÉS

Catégories de fondations – Elles se divisent en deux catégories principales :

À partir de ces données, le géotechnicien déterminera la solution optimale pour le mode de fondations.

– fondations superficielles ; – fondations profondes.

Le milieu « sol » qui reçoit les sollicitations d’une structure (bâtiment, ouvrage, etc.) ne pourra jamais être défini ou

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Référence Internet TBA1261

Les fondations superficielles par semelles I – Définition – Types .................................................................................. A. Définition ............................................................................................. B. Types ................................................................................................... II – Le projet de fondation .......................................................................... A. État limite ultime de résistance.......................................................... B. État limite ultime de stabilité de forme ............................................. C. État limite d’équilibre statique ........................................................... D. État limite de service vis-à-vis de la durabilité ................................. E. État limite de service vis-à-vis des déformations ............................. 1. Implantation des ouvrages .............................................................. a) Sismicité et implantation des ouvrages ..................................... b) Nature des sols et constructions parasismiques (paramètres d’identification des sols) ............................................ c) Pour les constructions courantes ................................................ d) Pour les constructions importantes ............................................ 2. Interaction sol/structure ................................................................... 3. Fondations en zone sismique ......................................................... a) Dispositions générales.................................................................. F. Cas des fondations superficielles ....................................................... 1. Fondations en zone sismique ......................................................... 2. Fondations par semelles ................................................................. 3. Fondations par radier général ........................................................

TBA1261 - 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 4 — 4 — 4 — 4 — 5 — 5 — — — — — — — — — —

7 7 7 7 7 7 11 11 11 11

es ouvrages de fondations correspondent aux ouvrages proprement dits ou aux parties de la structure qui transmettent les charges et sollicitations au « sol de fondation » ou ensemble des couches aptes à supporter sans déformations (tassements) ni rupture (effondrement) ces sollicitations. Dans cet article nous présentons principalement les différents types de fondations superficielles et leurs adéquations d’implantation en fonction de la nature des sols.

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES PAR SEMELLES

I - DÉFINITION – TYPES

Ce dernier type fait l’objet de développement séparé, le mode de calcul et les sollicitations étant différentes des deux premiers types.

A. Définition

On peut distinguer également : – les fondations sous charges centrées (cas général) ; – les fondations sous charges excentrées (ou soumises à des moments de flexion).

Elles constituent l’ouvrage ou partie d’ouvrage qui assure dans des conditions satisfaisantes la transmission des charges verticales principalement ainsi que des sollicitations d’une structure (ou superstructure) au sol résistant. Ce dernier, dans le cas de fondations superficielles, doit se trouver à faible profondeur, c’est-à-dire au voisinage immédiat des parties enterrées de l’ouvrage. Sinon, il y aura lieu de le rechercher en profondeur (fondations profondes ou semi-profondes).

3

II - LE

PROJET DE FONDATION

Le projet de fondation – Les éléments qui interviennent dans la détermination d’un projet de fondation nécessitent :

La classification basée sur le rapport D reste valable, même d si la fondation « superficielle » est faite en fond de fouille. C’est le cas des ouvrages présentant une importante infrastructure enterrée (parcs autos à grand nombre de niveaux).

• La reconnaissance du sol de fondation au droit de l’ouvrage ou à proximité immédiate. • La considération des ouvrages ou constructions voisins existants qui ne doivent pas subir de modifications ou perturbations compte tenu de la construction nouvelle.

D’ avec D’ la valeur de l’encasd trement de la semelle de fondation dans le fond de fouille. Dans ce cas, c’est le rapport

• La détermination de la capacité portante du sol : – en fonction de sa résistance à la rupture ; – compte tenu de ses déformations ou tassements.

Suivant la nature du « bon sol » rencontré, les ouvrages de fondation devront répartir d’une manière satisfaisante, sous les points d’appui (ou lignes d’appui) de la superstructure, les charges transmises par cette dernière sous forme de débords, empattements, élargissements, encastrements dans le sol, etc.

Justification des ouvrages de fondation : calcul des états limites – Elle est définie dans le DTU 13.12 « règles pour le calcul des fondations superficielles ». Les ouvrages de fondation doivent être justifiés conformément aux règles BA en vigueur (règles BAEL91) sous les différents états suivants :

Les sols courants superficiels n’acceptent que des contraintes de l’ordre de quelques bars alors que les maçonneries qui transmettent les charges aux fondations peuvent supporter des contraintes bien supérieures. Seuls les sols rocheux homogènes peuvent accepter des contraintes élevées. Dans tous les cas, un organe intermédiaire de répartition est nécessaire.

– état limite de résistance ; – état limite de stabilité de forme ; – état limite d’équilibre statique (glissement, cercles de glissement) ; – état limite de service vis-à-vis de la durabilité ; – état limite de service vis-à-vis des déformations.

A. État limite ultime de résistance

B. Types On distingue :

Les sollicitations s’expriment par la résultante générale des forces prises au niveau du plan de contact avec le sol.

• Les fondations linéaires. Les semelles linéaires peuvent être rectilignes, courbes ou de forme adaptée à la construction : semelles continues ou filantes sous charges linéaires réparties :

On en déduit p, valeur représentative de la composante normale des contraintes associées.

– par des murs ou voiles continus ; – par une file de poteaux équidistants et transmettant des charges identiques par l’intermédiaire d’une longrine de fondation.

pdq

La justification de l’état limite ultime de résistance est satisfaisante vis-à-vis du sol par l’inégalité suivante :

avec

• Les fondations ponctuelles : semelles isolées (sous poteaux), de forme carrée, rectangulaire ou diverse.

q = contrainte de calcul pour le sol. Dans le cas de combinaison d’actions pour lesquelles l’action du vent est l’action variable de base, l’inégalité satisfaite devient :

• Les fondations surfaciques : – radiers simples ou généraux ; – dallages sur terre-plein.

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p d 1,33 q

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Référence Internet TBA1261

LES FONDATIONS SUPERFICIELLES PAR SEMELLES La justification des dimensions de la fondation et de ses armatures vis-à-vis des règles du béton armé correspond à l’application de la méthode des bielles ou de toute méthode de la résistance des matériaux dans la mesure ou la forme des pièces le permet (méthode des moments ou méthode de la poutre). Dans ce dernier cas, les règles de béton armé en vigueur (règles BAEL91) s’appliquent intégralement.

Application La réaction du sol est souvent considérée comme uniforme sous les fondations, axée sur la résultante générale et caractérisée par la valeur p. On peut également considérer une variation linéaire de la contrainte (répartition triangulaire ou trapézoïdale) (cf. Fig 1, 2 et 3).

B = Largeur fondation R = Résultante générale des forces e = Excentricité P = Réaction du sol (répartie)

R e

3 P B

Fig. 1 : Répartition uniforme partielle de la réaction du sol.

Contrainte maxi : PM R

e P=

3 B P si e > 4 M 6

PM

B

Fig. 2 : Répartition triangulaire de la réaction du sol.

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Référence Internet TBA1262

Les fondations par semelles filantes

I – Semelles filantes sous murs ou voiles ................................................. A. Dispositions minimales ...................................................................... B. Dimensionnement ............................................................................... II – Dispositions pratiques et particulières ................................................ A. Dispositions pratiques ........................................................................ 1. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles ................ 2. Armatures en attente pour voile vertical en béton banché armé B. Dispositions particulières ................................................................... 1. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : joint de dilatation, retrait et charge excentrée .................................. 2. Disposition limite : semelle excentrée présentant un seul débord (construction en limite d’emprise). .................................................... 3. Disposition du DTU 13.12 ............................................................... 4. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : solutions pour semelles filantes excentrées ..................................... 5. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : présence d’un joint de dilatation-retrait. ........................................... 6. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : cas d’un joint de rupture (ou joint de tassement).............................. 7. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : renforcement des semelles filantes au droit des ouvertures ........... C. Semelles filantes sous poteaux.......................................................... 1. Définition ........................................................................................... 2. Coupe-type ........................................................................................ 3. Semelles filantes sous poteaux : semelles de grande largeur ....

TBA1262 - 2 — 2 — 2 — 6 — 6 — 6 — 6 — 6 —

6

— —

9 9

—

10

—

12

—

12

— — — — —

13 15 15 15 18

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es ouvrages de fondations correspondent aux ouvrages proprement dits ou aux parties de la structure qui transmettent les charges et sollicitations au « sol de fondation » ou ensemble des couches aptes à supporter sans déformations (tassements) ni rupture (effondrement) ces sollicitations. Il s’agit de fondations qui doivent assurer la répartition sur le sol de la charge verticale transmise à la base d’un mur. Cette charge est supposée uniformément répartie dans le sens de la longueur du mur.

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Référence Internet TBA1262 Les fondations par semelles filantes

I - SEMELLES

Il est à noter que :

FILANTES SOUS MURS OU VOILES

– les semelles filantes (cf. Fig. 1) doivent avoir une largeur minimale B de 0,40 m pour permettre l’exécution du terrassement aux engins mécaniques ; – la profondeur D pour mise hors gel et encastrement dans le sol doit être  0,50 m ; – le fond de fouille doit être purgé des impuretés de terrain, blocs constituant points durs éventuels, etc.

A. Dispositions minimales Les semelles continues ou filantes sont des fondations superficielles selon la définition du DTU 13.11. Elles sont établies sous des murs ou voiles porteurs en maçonnerie d’éléments ou de béton banché armé ou non. Elles correspondent à des charges réparties généralement de manière uniforme dans la hauteur des superstructures ou dans celle des sous-sols.

3

Q

1

Q' 5

Q'

4

4

D 2

H

e

3

B

D ≥ 0,50 m B ≥ 0,40 m e ≥ 0,04 m H = hauteur de la semelle

1 Mur ou voile transmettant la charge Q/ml

2 Semelle de répartition (béton armé) 3 Béton de propreté pour protection du fond de fouille et purge éventuelle du terrain 4 Déblai du terrain pour fouille (poids Q’) 5 Talus de déblai

Fig. 1 : Semelle filante sous mur ou voile.

Le dimensionnement d’une semelle filante correspond au principe général défini ci-avant :

Il doit être protégé contre le retrait, la dessiccation et l’action de la pluie par un béton de propreté (épaisseur  0,04 m) ou un film de polyéthylène armé. Cette protection doit être réalisée à l’avancement des fouilles.

Q = charge au ml (mètre linéaire) transmise par le mur ou voile porteur (cette charge comprend également la valeur Q de la terre remblayée sur le débord de semelle ainsi que celle du poids du dallage et des charges appliquées au droit du débord).

B. Dimensionnement

Ces valeurs complémentaires sont souvent négligées du fait que la valeur de la largeur de la semelle (B) déterminée ciaprès est arrondie à 0,05 m près.

Définitions – Une semelle filante sous murs ou voiles est caractérisée par sa forme et ses dimensions. Le dimensionnement dépend également de la présence ou non d’armatures transversales.

Il y a lieu d’estimer comme charge complémentaire intervenant sur le sol, le poids propre de la semelle.

1er cas : semelles non armées (cf. Fig. 2 et 3)

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Référence Internet TBA1262 Les fondations par semelles filantes b

Q = valeur de la charge transmise à la base du mur ou du voile.

Q

q = contrainte de calcul admise pour le sol de fondation. La surface de répartition de la semelle sur le sol est faite pour une longueur L de 1 m, soit :

h ≥ 2d d=

B–b

S = BL =  / q

2

Si S est exprimé en m2 B et L en mètres (L = 1,00 m)  S = B

d

Q est exprimé en T/ml q est exprimé en T/m2 Application Q

Par exemple : Q = 15 T/ml q = 20 T/m2 (2 bars) B = 0,75 m

h

1

La largeur B de la semelle étant ainsi déterminée (cf. Fig. 3), la hauteur H dépend du mode de transmission des charges depuis la base du mur jusqu’au sol, à travers la semelle ; en considérant une transmission par l’angle de frottement interne du béton (Tg = 0,75) on a :

q B b = Épaisseur du mur ou voile porteur

débord d = B – b 2

B = Largeur de la semelle h = Hauteur de la semelle

Pour que la transmission s’effectue sans contrainte de traction à la base de la semelle, la condition suivante doit être respectée :

d = Débord latéral de la semelle par rapport au mur Q = Charge superstructure q = Contrainte du sol

h≥

1 Armatures longitudinales

d d = = 1,33d Tgα 0,75

Cette valeur est généralement arrondie à 1,5d ou aux 0,05 m supérieurs avec un minimum de 0,15 à 0,20 m pour H.

Fig. 2 : Semelle non armée (transversalement) – Dimensionnement.

Dans ces conditions, les armatures transversales ne sont pas nécessaires dans la mesure où le sol est homogène et s’il n’existe pas de vides en profondeur (fontis de carrière ou vides de dissolution, etc.). Les armatures longitudinales de chaînage sont déterminées par le DTU 13.12, soit une section de :

Q

– 3 cm2 dans le cas de ronds lisses en acier Fe E 215 (4Ø10) ; – 2 cm2 dans le cas de bancs HA (haute adhérence) Fe E 400 (4Ø8 HA) ; – 1,6 cm2 dans le cas de treillis soudé ou de barres Fe E 500. Ces armatures de chaînage peuvent être reportées à la base du mur pour les semelles en gros béton (cf. Fig. 4). Pour les semelles de grande longueur, prévoir un recouvrement minimum des armatures de 35Ø. Dans les angles de semelles, la continuité du chaînage doit être assurée (cf. Fig. 5).

h

α

La forme la plus courante pour des semelles non armées présente une section transversale rectangulaire (cf. Fig. 3). d

b

Des variantes permettant de réduire la quantité du béton mais nécessitant des injections d’exécution se présentent avec les dispositions suivantes (cf. Fig. 6) :

d

– avec redans, par coulage en deux fois avec coffrage des redans supérieurs ; – avec pans coupés, nécessitant un béton relativement sec permettant de réaliser les talus supérieurs.

B Fig. 3 : Semelle filante sous mur en béton non armé (détermination de la hauteur).

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Référence Internet TBA1262 Les fondations par semelles filantes

1 d

a

Mur de hauteur suffisante (1 niveau minimum)

d

2

H

4 3

a’ 1 Mur (h ≥ 1 niveau) 3 Semelle gros béton coulé à pleine fouille (sans béton de propreté) non armé

2 Chaînage BA

3

4 Armatures chaînage

Fig. 4 : Chaînage disposé à la base du mur.

a'

1C

35 Ø

35 Ø A 35 Ø d0

a' a

X

d0

R 1B X 1A

a' 1A 1B 1C Aciers filants R = Zone de recouvrement (aciers de grande longeur) (éviter d’aligner les recouvrements dans un même plan vertical) A Renforts d’angles Fig. 5 : Dispositions des armatures longitudinales (chaînage) dans les angles d’une semelle filante.

Dans ces deux cas, on devra vérifier la transmission interne des contraintes pour l’angle de frottement interne du béton ().

La transmission de la charge Q du mur ou du voile s’effectue par des bielles inclinées qui développent du fait de leur faible inclinaison sur l’horizontale des efforts de traction (F) absorbés par une armature placée en partie inférieure de la semelle. La hauteur utile (h = ht – e) de celle-ci est déterminée par une condition de rigidité permettant de considérer une répartition uniforme des pressions sur le sol sur la largeur (B) de la semelle (cf. Fig. 7).

2e cas : semelles en béton armé (cas quasi général) Cette disposition de dimensionnement des semelles filantes en béton armé permet de réduire la hauteur totale ht de la semelle armée transversalement.

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Référence Internet TBA1263

Les fondations par radiers et cuvelages I – Fondations par radiers........................................................................... II – Fondations par cuvelage ...................................................................... A. Cuvelage avec revêtement d’imperméabilisation ............................ B. Cuvelage à structure relativement étanche....................................... III – Fondations par radiers plans............................................................... A. Radier simple à dalle épaisse établi sous une construction à contour simplifié ............................................................................................ B. Radier à dalle nervurée ou raidie par poutre .................................... IV – Radiers généraux ................................................................................. A. 1er cas : radiers épais .......................................................................... B. 2e cas : radiers nervurés simples ....................................................... C. 3e cas : radier nervuré ......................................................................... V – Fondations par radiers courbes........................................................... A. Radier simple voûté ............................................................................ B. Radiers voûtés multiples .................................................................... 1. Radier voûté multiple à travées égales........................................... 2. Radier voûté multiple à travées inégales (cf. Fig. 16).................... 3. Radier à voûtes d’arêtes...................................................................

TBA1263 - 2 — 3 — 3 — 3 — 3 — — — — — — — — — — — —

3 3 8 8 9 11 11 11 11 11 11 12

es radiers sont des fondations superficielles. Lorsqu’ils sont établis dans une nappe phréatique (ouvrages immergés), ils sont associés à un ouvrage de cuvelage qui assure l’étanchéité, c’est-à-dire la protection contre la pénétration des eaux sous pression de la nappe extérieure. Les radiers peuvent aussi n’être que des ouvrages de fondation établis dans des terrains à faible portance. Lorsque le sol de fondation est de faible capacité portante, les dimensions des semelles isolées sous poteaux, voiles, éléments de voiles ou murs, deviennent très importantes et, à la limite, telles qu’il ne reste pratiquement plus d’intervalles entre elles.

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Référence Internet TBA1263

LES FONDATIONS PAR RADIERS ET CUVELAGES

I - FONDATIONS

PAR RADIERS

Trois cas peuvent se présenter : 1/ S0 > S : la solution par semelles est possible ;

La notion de fondation superficielle correspond à la définition faite à partir de la valeur D/d , D pouvant être la profondeur d’un fond de fouille. Dans ce cas, le radier constitue la fondation établie sur ce fond de fouille et le couvrant en totalité.

2/ S0 | S : la solution par radier pourra être envisagée (sous réserve d’une condition complémentaire) ; 3/ S0 < S : la solution par fondations superficielles n’est pas possible. On devra recourir à une solution profonde (pieux ou puits).

Une méthode rapide et simple permet de déterminer le type de solution adéquat pour une fondation de bâtiment, superficiel ou profond.

Le radier – Si S est légèrement > So, le radier est encore possible si des débords peuvent être pris sur l’emprise théorique. Ce cas est rarement possible en zone urbaine.

Soit : P = (∑p) = p1 + p2 + p3 = ʌ Pn

3

La condition précédente 2/ correspond à une répartition uniforme des pressions du sol (réactions), ce qui entraîne la condition suivante : « Le centre de gravité de l’aire du radier doit coïncider avec le point de passage de la résultante des forces ». En fait, cette coïncidence doit s’effectuer dans une zone voisine du centre de gravité. Par ailleurs, la répartition uniforme des pressions entraîne que le radier et les infrastructures présentent une rigidité généralement obtenue par la présence de voiles extérieurs et intérieurs.

la charge totale transmise au sol par les différentes éléments porteurs de la structure (poteaux, voiles, murs). S0(m2) = A u B, l’emprise de la construction, A et B étant les dimensions principales q (t/m2) = la contrainte admissible du sol. La surface minimale totale d’assise des fondations s’exprime par :

Remarque La solution « radier » comparée à la solution limite « semelles isolées » est une solution onéreuse de fondation (cf. Fig. 1).

P(t) S(m ) = q( mt 2 ) 2

h hm

AS

h'

q

Ai

AS = Armatures principales: lits supérieurs S = Armatures chapeaux: lits inférieurs

h = Hauteur semelle hm = Hauteur moyennee h' =Épaisseur radier

Fig. 1 : Comparaison entre solution « semelles isolées » et solution « radier général ».

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LES FONDATIONS PAR RADIERS ET CUVELAGES

B. Cuvelage à structure relativement étanche

En effet, les semelles isolées sont calculées avec la méthode des bielles et sont caractérisées par une épaisseur moyenne de l’ordre de la moitié de la hauteur totale, avec seulement une nappe inférieure d’armatures. En revanche, les radiers sont calculés comme des planchers renversés soumis aux réactions du sol et sont constitués par une dalle d’épaisseur constante comportant une nappe d’armature inférieure et une nappe d’armatures supérieures. Si les épaisseurs « béton » sont comparables, les quantités d’acier sont beaucoup plus importantes du fait de l’intensité des réactions du sol.

Ce cuvelage ne comporte pas de revêtement et il est de ce fait admis un léger passage d’eau éventuellement récupérée, défini par les valeurs suivantes : – pour l’enveloppe dans son ensemble : moyenne annuelle 0,5 litre/m2/jour, moyenne hebdomadaire 1 litre/m2/jour ; – pour toute portion d’enveloppe de 10 m2 constituant un rectangle dont le rapport de côtés est compris entre 0,4 et 2,5 : moyenne hebdomadaire 2 litres/m2/jour. Cuvelage avec revêtement d’étanchéité – L’étanchéité est réalisée par un revêtement plastique, élastoplastique ou élastique appliqué à l’extérieur de la structure résistante aux poussées de l’eau. Ce revêtement n’est pas nécessairement adhérent à la structure résistante. C’est la pression hydrostatique qui l’applique sur cette dernière. Ce revêtement doit pouvoir s’adapter aux légères déformations ou fissurations des ouvrages qui lui sont accolés ou qui l’enserrent (cf. Fig. 4).

Exemple Un radier recevant une réaction de 0,3 bar est en fait un plancher inversé supportant 3 t/m2, ce qui correspond à un plancher industriel fortement chargé !

Lorsque les semelles isolées sont dimensionnées de telle sorte qu’elles sont pratiquement jointives et si l’on tient compte des interférences possibles de la répartition des pressions en profondeur, la solution « radier » général peut paraître intéressante.

III - FONDATIONS

A. Radier simple à dalle épaisse établi sous une construction à contour simplifié

Dans tous les cas, à charges égales transmises sur le même sol pour une capacité portante donnée, la solution « radier » sera une solution chère. Toutefois, cette solution devra s’imposer si le radier doit jouer le rôle d’un cuvelage étanche. Par ailleurs, le radier constituera généralement pour un sol homogène, et à condition de respecter la condition « subsidiaire », une solution plus sûre au niveau des tassements différentiels. Cette solution présente, en outre, lorsque la dalle épaisse est utilisée, l’avantage de supprimer le dallage qui, dans la solution « semelles isolées », constitue un ouvrage rapporté.

La dalle radier reporte sur le sol les charges transmises par les murs périmétriques et son poids propre (cf. Fig. 5). Elle est calculée comme une dalle épaisse, selon les conditions de son contour, c’est-à-dire (cf. Fig. 6) : – en tenant compte de l’effort « dalle » (rapport ) ; – en tenant compte des débords éventuels par rapport aux murs (effet « console ») ; – en tenant compte des liaisons d’appuis (appuis simples dans le cas de maçonnerie d’éléments et appuis encastrés ou semiencastrés dans le cas de voiles BA).

Le radier est une solution de fondation superficielle. Il doit être considéré comme un cuvelage (exigence d’étanchéité) lorsque le bâtiment doit être établi dans une nappe phréatique.

II - FONDATIONS

PAR RADIERS PLANS

Cette dalle est sollicitée par les réactions du sol considérées comme uniformément réparties (flexion dans un ou deux sens – zone tendue à la face supérieure de la dalle) (cf. Fig. 7).

PAR CUVELAGE

Les armatures sont donc placées en nappe supérieure de la dalle radier.

Un ouvrage immergé, c’est la partie réputée située sous le niveau de l’eau, celle-ci pouvant résulter d’une nappe phréatique, d’une crue, de ruissellements ou d’infiltrations. Cette partie comprend la périphérie directement soumise à l’action de l’eau dite enveloppe, les parties intérieures adjacentes à cette périphérie et liée avec elle, dites retours, pour lesquelles des dispositions particulières doivent être prises, et enfin les autres parties intérieures (cf. Fig. 2).

Dans le calcul, la valeur des réactions d’appuis est diminuée du poids propre de la dalle radier. Lorsque les charges des murs porteurs principaux ne sont pas identiques, le radier peut être prolongé par des débords extérieurs de manière à recentrer la charge totale.

B. Radier à dalle nervurée ou raidie par poutre

Le cuvelage comprend l’enveloppe et les retours de la partie immergée du bâtiment et, le plus souvent, un revêtement de cuvelage qui peut être d’imperméabilisation ou d’étanchéité.

Lorsque les dimensions et les dispositions de l’ouvrage à fonder par radier sont importantes, la dalle radier peut être appuyée sur plusieurs files d’appui et fonctionne en dalle sur appuis continus.

A. Cuvelage avec revêtement d’imperméabilisation

Si les appuis intermédiaires sont constitués par des murs ou voiles porteurs, la dalle peut conserver la même épaisseur si des ouvertures sont pratiquées dans ces murs ou voile. Elle est néanmoins renforcée au droit de ces ouvertures.

Le revêtement d’imperméabilisation constitue un écran intérieur adhérent à son support, pouvant assurer seul l’étanchéité mais ne résistant pas à une fissure appréciable du support.

Dans le cas d’appuis intermédiaires discontinus (poteaux), une poutre longrine doit être disposée sous la file de poteaux.

Ce revêtement est constitué d’enduits hydrofuges ou d’enduits pelliculaires à base de résine (cf. Fig. 3).

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Les fondations profondes

1.

Définitions et mécanismes ...................................................................

2.

Principaux types de pieux.....................................................................

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6

2.1

Classification des pieux ..............................................................................

—

7

2.2

Principes d’exécution, critères de choix, avantages et inconvénients des pieux.........................................................................

—

8

3.

Détermination de la contrainte de rupture sous la pointe qu pour un élément de fondation à partir des essais au pressiomètre Ménard (fasc. 62, titre V) ......................................

—

13

4.

Détermination du frottement latéral unitaire qs pour un élément de fondation à partir des essais au pressiomètre Ménard (fasc. 62, titre V) ......................................

—

15

5.

Dimensionnement des fondations profondes sous différents types de chargement (fasc. 62, titre V) ............................................

—

17

6.

Justifications d’une fondation profonde soumise à un effort axial .......................................................................................

—

18

7.

Exemple......................................................................................................

—

19

es fondations profondes se distinguent des fondations superficielles par leur profondeur d’ancrage dans le sol. Elles sont dites « élancées » et ne présentent généralement pas de semelles, à la différence des fondations superficielles. Les fondations profondes peuvent être des pieux (réalisés mécaniquement), des barrettes (pieux forés de section allongée ou composite) ou des puits (creusés à la main). On les nomme tous « pieux ». Après avoir donné quelques définitions et rappelé les mécanismes de transmission de la charge de la fondation au terrain (§1), cet article donne la classification des pieux, les principes d’exécution, les critères de choix, les avantages et inconvénients des différents types de pieux (en bois, en métal, en béton armé, pieux battus moulés, forés, micropieux, puits,…) (§2). La détermination de la contrainte de rupture et celle du frottement latéral unitaire à partir des essais au pressiomètre Menard sont détaillées aux paragraphes 3 et 4. Les paragraphes 5 et 6 sont consacrés au dimensionnement des fondations profondes sous différents types de chargement et à la justification d’une fondation profonde soumise à un effort axial. Enfin, un exemple est donné en fin d’article. Le lecteur pourra également consulter les articles : Rôle des fondations TBA1250 et Les fondations superficielles TBA1260 pour plus de détails sur ces sujets ainsi que les articles : Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence bétonacier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, consacrés au béton armé.

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Définitions et mécanismes

I - DÉFINITION D’UN

II - MÉCANISMES

PIEU

DE TRANSMISSION DE LA CHARGE DU PIEU AU TERRAIN

Une fondation élancée – Un pieu est une fondation élancée qui reporte les charges Q de la structure sur des couches de terrain de caractéristiques mécaniques suffisantes pour éviter la rupture du sol et limiter les déplacements à des valeurs très faibles. Le mot « pieu » désigne aussi bien les pieux, les puits et les barrettes.

3

Essai de chargement – Il est important de connaître comment le pieu transmet la charge Q qu’il reçoit de la superstructure au terrain. L’essai de chargement instrumenté renseigne parfaitement sur les transferts de charge le long du fût par frottement et sous la pointe par enfoncement. Pour simplifier, on supposera un pieu de longueur D, dans un sol homogène soumis à un chargement vertical de compression axiale Q (cf. Fig. 2).

On désigne par pieu, une fondation profonde réalisée mécaniquement, et par puits, une fondation profonde creusée à la main sous la protection d’un blindage. Une barrette est un pieu foré de section allongée ou composite (en T ou en croix, par exemple). La tête, la pointe, le fût – Les trois parties principales d’un pieu sont la tête, la pointe, et le fût compris entre la tête et la pointe. La longueur d’ancrage h est la longueur de pénétration du pieu, de diamètre B, dans les couches de terrain résistantes (cf. Fig. 1).

Fig. 2 : Schéma de l’essai de chargement d’un pieu.

III - ESSAI

DE CHARGEMENT STATIQUE D’UN PIEU SOUS COMPRESSION AXIALE

Essai à charges contrôlées – L’essai est exécuté suivant la norme NF 94-150-1 (décembre 1999) – Sols : reconnaissance et essais – Essai statique de pieu isolé sous un effort axial – Partie 1 : en compression. C’est un essai à charges contrôlées, essai par paliers de fluage, qui consiste à mettre le pieu en charge par incréments ΔQ égaux à 0,1Qmax jusqu’à Qmax estimée a priori. Pendant chaque palier de fluage, maintenu

Fig. 1 : Définitions des caractéristiques géométriques d’un pieu.

D’un point de vue mécanique, on distingue la longueur D du pieu de la hauteur d’encastrement mécanique De (cf. fascicule 62, titre V).

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LES FONDATIONS PROFONDES 60 minutes, on enregistre le déplacement de la tête du pieu en maintenant la charge rigoureusement constante.

Qn (cf. Fig. 5). Cette courbe permet de distinguer une première partie pour laquelle le fluage est faible et peut être supporté par la structure portée par la fondation profonde et une seconde partie où le fluage du sol entraînerait des déplacements incompatibles avec le bon fonctionnement de la structure.

Cet essai permet de déterminer la charge limite conventionnelle Qle et la charge critique de fluage conventionnelle Qce. nécessaires au dimensionnement du pieu. On trace la courbe du déplacement vertical en fonction du chargement en reportant le déplacement à la fin de chaque palier (60 min) en fonction de la charge (cf. Fig. 3).

3

Fig. 3 : Courbe de chargement-déchargement du pieu.

Courbe de déchargement – Elle s’effectue en cinq paliers. On constate qu’après déchargement complet, subsiste un déplacement plastique permanent, signe que le sol est en rupture autour du pieu.

Fig. 4 : Droites et courbes de fluage des 2e, 5e, 7e et 9e paliers.

Courbe effort-déplacement du pieu – Elle donne la charge limite QLE ou Qu qui correspond à la rupture du sol pour un grand déplacement. Cette charge limite est équilibrée par : – la résistance de pointe qu (cf. Fig. 2) qui donne la charge limite de pointe Qpu = qu. A (A : section droite de la pointe du pieu) ; – le frottement latéral qs (cf. Fig. 2) qui s’exerce sur la surface latérale du pieu, qui donne la charge limite de frottement latéral Qsu = qs.π.B.D. QLE = Qu = Qpu + Qsu Pour atteindre cette charge limite QLE, le pieu s’est déplacé en tête de st et en pointe de sp. Le déplacement de la tête est supérieur au déplacement de la pointe, puisque le pieu n’étant pas infiniment rigide, il a subi une déformation propre. Fluage – Pour chaque palier Qn, on calcule la pente αn du segment de la courbe de déplacement en fonction du logarithme décimal du temps entre 30 et 60 minutes (cf. Fig. 4). La charge critique de fluage est déterminée par la construction effectuée sur la courbe de αn en fonction de la charge au palier

Fig. 5 : Détermination de la charge critique de fluage Qce.

Généralement, la charge critique (cf. Fig. 6) de fluage a une valeur proche de 0,7 QLE (cf. Fig. 3).

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Fig. 6 : Définitions de la profondeur critique.

IV - MOBILISATION

DE LA RÉSISTANCE DE POINTE

qu

Longueur d’ancrage – On ne mobilise complètement la résistance de pointe d’un pieu que si la longueur d’ancrage est suffisante. Cette longueur d’ancrage critique, ou profondeur critique Dc, nécessaire à la mobilisation de qu est préconisée par la norme DTU 13-2 (P 11-212 de septembre 1992 – Travaux de bâtiment – Travaux de fondations profondes pour le bâtiment) : – pour une seule couche de sol Dc = 6B avec un minimum de 3m; – pour un sol multicouche pour lequel la contrainte effective σv’ due au poids des terrains au-dessus de la couche d’ancrage est au moins égale à 100 kPa (environ 7 à 10 m de terrain) Dc = 3B avec un minimum de 1,5 m ; c’est la règle classique des trois diamètres d’ancrage du pieu dans la couche résistante.

V - DÉFINITIONS

DU FROTTEMENT LATÉRAL POSITIF

ET NÉGATIF Fig. 7 : Mécanisme du frottement latéral positif.

Frottement latéral positif – Pour qu’il y ait frottement latéral, il faut qu’il y ait un petit déplacement relatif entre le pieu et le sol. Si le pieu se déplace plus vite que le sol, le sol par réaction exercera un frottement latéral positif fp, vers le haut (cf. Fig. 7).

années après, qui a entraîné le pieu et a généré un frottement négatif dans le terrain compressible. En résumé, dans ce cas, dans la partie du sol compressible pour laquelle le sol se tasse plus vite que le pieu, le frottement est négatif ; dans la partie résistante du sol, c’est au contraire le pieu qui se déplace plus vite que le sol, et le frottement est positif. Le frottement positif et la résistance de pointe devront donc équilibrer le frottement négatif et la charge Q transmise par la superstructure (non représentée sur les figures 8 et 9).

Frottement latéral négatif – En revanche, si le sol se déplace plus vite que le pieu (terrain médiocre qui se tasse sous des surcharges appliquées au niveau de la surface du sol), le sol en se tassant entraîne le pieu vers le bas et lui applique un frottement négatif fn qui le surcharge. Le frottement négatif se produit généralement dans des sols fins saturés qui se consolident avec le temps. La figure 8 représente la position du pieu et du sol à l’instant de la mise en place des charges permanentes sur le sol par l’intermédiaire d’un dallage, par exemple. La figure 9 indique le tassement du sol, plusieurs

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Le frottement négatif peut être calculé à partir du fascicule 62, titre V.

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Fig. 9 : Positions finales du pieu et du sol après consolidation du sol compressible.

Fig. 8 : Positions initiales du pieu et du sol à la mise en place des charges q.

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