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béton précontraint
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Chapitre 1Béton Précontraint- Généralités: concepts de
base et modes de réalisation
Module Béton Précontraint
Karim Miled, ENIT 2009
1
Plan du chapitre
I. Historique du B.P.
II. Principe du béton Précontraint
II.1. Définition de la précontrainte
II.2. Principe du béton précontraint
II.3. Poutre isostatique fléchie en B.P.
II.4. Tirant en B.P.II.4. Tirant en B.P.
II.5. Avantages du béton précontraint
III. Modes de réalisation de la précontrainte
III.1. Précontrainte par pré-tension
III.2. Précontrainte par post-tension
IV. Contrôle des connaissances
2
I. Historique du B.P.• Personnes et dates importantes
- Vicat (1818) : élabore la théorie de l’hydraulicité: mélange
de calcaire et de silice conduit à l’obtention d’un ciment
artificiel par cuisson
- J. Lambot (1847) : renforcement du mortier de ciment
avec des aciers (brevet de la barque imputrescible)avec des aciers (brevet de la barque imputrescible)
3
- J. Monier (1867) dépose le brevet de la caisse horticole réalisé en
mortier de ciment armé. Il propose ensuite un système de construction
de maison, de ponts et de réservoirs en béton armé
Caisses horticoles
4
- F. Hennebique (1896) : placement des fers selon la direction des
contraintes (fers longitudinaux et étriers)
- Fin du 19èm siècle: des ingénieurs américains ont essayé d’appliquer
le principe de la précontrainte, ancien en lui-même, au béton, mais leur
tentative a échoué.
- Eugène Freyssinet, un brillant ingénieur français des ponts et
chaussées, lui revient le grand mérite de mettre au point et de
développer la technique du béton précontraint.
Dès 1908, il réalisait des tirants précontraints au moyen de fils en acier
dur et entreprenait une étude des déformations différées du béton.
En 1928, Il déposait ses principaux brevets relatifs à la constructionEn 1928, Il déposait ses principaux brevets relatifs à la construction
d’ouvrages en béton précontraint.
En 1941, il a conçu et construit le premier pont en B.P.: le pont de
Marne à Luzancy en France, ayant une portée de 55m.
- A partir de la fin de la deuxième guerre mondiale (1945), le béton
précontraint a connu son véritable essor, lorsqu’il fallut construire les
très nombreux ouvrages détruits en Europe.
5
II. Principe du B.P.
• La précontrainte est un pré-chargement d’un système mécanique ou
d’une structure visant l’amélioration de ses performances mécaniques
« Pré-contraindre une construction, c'est la soumettre, avant l'application des
charges, à des forces additionnelles déterminant des contraintes telles que leur
composition avec celles qui proviennent des charges donne en tout point des
résultantes inférieures aux contraintes limites que la matière peut supporter
indéfiniment sans altération » E. Freyssinet
II.1. Définition de la précontrainte
d’une structure visant l’amélioration de ses performances mécaniques
(résistance, rigidité, etc.).
• la précontrainte est une technique ancienne qui est utilisée dans
plusieurs systèmes mécaniques.
• La roue d’une bicyclette est un exemple de système précontraint:
les rayons sont tendus préalablement en prenant appui sur la jante
et le moyeu pour empêcher leur rupture par flambement lorsqu’ils
seront comprimés sous l’action du poids du cycliste. 6
La précontrainte appliquée au béton: quelle(s) performance(s)
voudrait on améliorer ?
• Le béton résiste bien à la compression mais très mal à la traction (sa résistance à
la compression est de l’ordre 1/12 seulement de sa résistance à la compression)
• Le béton armé remédie à ce défaut en disposant dans les zones tendues des
armatures d’acier dirigées suivant la direction des forces de traction et capables d’y
résister. Cependant, le béton armé présente plusieurs défauts qui limitent son emploi:
- Le béton enrobant les armatures est tendu en même temps qu’elles et ne peut
subir leur allongement sans se rompre; il en résulte des fissures. Par ces fissures,
7
subir leur allongement sans se rompre; il en résulte des fissures. Par ces fissures,
les armatures peuvent être en contact direct avec le milieu ambiant, d’où un
risque de corrosion=> le béton armé convient mal aux ouvrages situés en milieu
agressif.
- Le béton armé est lourd: les parties tendues du béton ne sont utilisées que pour
enrober l’acier et leur poids constitue un handicap pour les poutres de grande
portée => la charpente métallique se révèle souvent plus économique.
Il est donc logique de chercher à utiliser à plein la résistance du béton
moyennant la précontrainte, mais comment ?
II.2. Principe du béton précontraint
Appliquer à l’avance (un pré-chargement) une compression
permanente au béton afin d’éliminer les contraintes de
traction dues aux charges qui seront appliquées
postérieurement=> la variation de contraintes dues à ces
tractions ne provoque qu’une décompression du béton=> la
section du béton demeure entièrement comprimée
⇒
8
⇒ La section et la résistance du béton sont exploitées à plein (100%)
⇒ Absence de fissuration du béton.
Poutre en B.P.
Poutre en B.A.
II.3. Précontrainte d’une poutre isostatique fléchie
Le principe est de soumettre la pièce en béton fléchie
à un effort de compression convenablement
appliqué, pour éliminer, d’une part, les contraintes
de traction dans la membrure tendue et limiter, de traction dans la membrure tendue et limiter,
d’autre part, les contraintes de compression dans la
membrure comprimée, afin de faire disparaître tout
risque de fissuration
9
Diagrammes des contraintes élastiques linéaires
z
b
h
y
II.3.1. Précontrainte centrée
On choisit P tel que P/(bh)=σσσσ0=h/2*Mmax /(bh3/12) => P= 6 Mmax/h Risque de rupture
de béton par excès
de compression !Diagrammes des contraintes élastiques linéaires
P=σσσσ0bh
10
σσσσ0
y
σσσσ
y y
σσσσ
σσσσ0=Mmax h/2I
σσσσ
- σσσσ0σσσσ0
2σσσσ0
0Effet de la précontrainte
Effet de charges extérieures
cumul
P
de compression !
Diagrammes des contraintes élastiques linéaires
II.3.2. Précontrainte excentrée
On choisit (P, e0) tel que P=σσσσ0bh/2 => P= 3 Mmax/h et e0= -h/6
=> Effort de précontrainte excentrée réduit de moitié par rapport à celui nécessaire en
précontrainte centrée => gain de 50% sur le coût de la précontrainte.
Noyau centralb/3
y
zh/3
Diagrammes des contraintes élastiques linéaires
11
y
σσσσ
y y
σσσσ
σσσσ0=Mmax h/2I
σσσσ
- σσσσ0σσσσ0
σσσσ0
0Effet de la précontrainte
Effet de charges extérieures
cumul
e0= -h/6P
0
II.4. Précontrainte d’un tirant en béton
Soit un élément prismatique en béton de section B, chargé de
transmettre un effort de traction sans flexion (un tirant). Cet
élément est précontraint par pré-tension moyennant une
armature en acier dur de section A placée sur la ligne moyenne
du tirant et transmettant au béton un effort de compression
centrée P.
12
Déterminer l’effort de traction maximal qui peut supporter le
tirant sans que le béton soit tendu.
A.N. B=0,1 m2; A=1000 mm2; P=100 tonnes.
II.5. Avantages du béton précontraint
• La précontrainte permet de réduire voire éliminer la
fissuration et la déflection (flèche) des éléments de
structures en béton => un fonctionnement meilleur en
service comparé à celui des structures en B.A.
• La section et la résistance du béton sont exploitées à plein
(100%)
• Les structures en B.P. peuvent supporter des efforts
13
• Les structures en B.P. peuvent supporter des efforts
beaucoup plus importants que celles en B.A. grâce à la
possibilité d’emploi de matériaux (béton et acier) très
performants.
⇒ Réduire les sections en béton => alléger les structures
en béton => augmenter les travées et étendre le domaine
d’application du béton (tabliers de pont à longues travées,
dalles pour planchers à longues portées, etc.)
III. Procédés de mise en précontrainteLa force de compression permanente qui constitue la précontrainte est
réalisée généralement par la mise en tension d’armatures en acier
dur placées à l’intérieur de la pièce en béton à pré-contraindre. Cet
effort de précontrainte correspondant en signe opposé à la force de
traction dans les armatures (principe de l’action et de la réaction) est
très important. Il peut être obtenu avant ou après coulage du béton.
Ainsi, on distingue 2 procédés :
1- La précontrainte par pré-tension ou par
adhérence: Les armatures de précontrainte
sont tendus avant le coulage du béton.
2- La précontrainte par post-tension: Les
armatures de précontrainte sont tendus après
le coulage du béton 14
III.1. Précontrainte par pré-tension
ETAPES
15
La précontrainte se transmet au béton (le béton sera comprimé)
grâce à l’adhérence acier-béton => Précontrainte par adhérence
Domaine d’application: Préfabrication des poutrelles, poutres, pré-dalles et
dalles alvéolées de dimensions standards pour planchers, poteaux de lignes
électriques, traverses de lignes de chemin de fer, etc. => procédé industriel
Poutrelles préfabriquées en béton précontraint par pré-
tension
Treillis
Poutrelles en B.P. (photo UPP Laceramic) Plancher nervuré à poutrelles préfabriquées en
B.P. et à dalle de répartition coulée en œuvre
16
• Plancher semi-préfabriqué car la dalle de répartition est coulée en œuvre (sur place)
• Rapidité et facilité d’exécution sur chantier + coffrage et étaiement minimal
• Coût moins élevé par rapport à un plancher nervuré traditionnel en B.A. entièrement
coulé en œuvre
Treillis
soudé
Planchers à poutrelles préfabriquées précontraintes
entrevous
en béton
aggloméré
Poutrelles
17
entrevous
en terre
cuite
Poutrelles
Dalles alvéolées préfabriquées en béton précontraint
par pré-tension
18
alvéole nervure
Plancher nervuré à dalles alvéolées
• Possibilité de franchir des Portées importantes (allant jusqu’à 15 m)
• Rapidité et facilité de d’exécution sur chantier + coffrage et étaiement minimal
• Coût moins élevé par rapport à un plancher à dalle pleine en B.A.
dalle alvéolée
Poutrelles préfabriquées en double T en béton
précontraint par pré-tension
19
• Facilité et rapidité d’exécution sur chantier (coffrage et étaiement minimal)
• Grande capacité portante + Masse réduite par sections transversales élancées
• possibilité de franchir des portées très importante allant à 30m
• Emploi notamment dans les planchers de parking et bâtiments industriels
où l’aspect esthétique n’est pas important
Poutrelles en double T
Plancher à poutrelles en double T
Pré dalles préfabriquées en béton précontraint par
pré-tension
prédalle
20
Planchers à prédallesDalle de répartition en béton coulée
en œuvre et armée avec un T.S.
• Plancher semi-préfabriqué
• Rapidité et facilité de d’exécution sur chantier + coffrage et étaiement minimal
• Coût moins élevé par rapport aux planchers traditionnels en B.A. entièrement
coulé en œuvre (planchers à dalle pleine et à corps creux)
III.2. Précontrainte par Post-tension
ETAPES
contenant les câbles de précontrainte
Ancrage des câbles aux
extrémités de l’élément
précontraint
21
après durcissement du béton au moyen
de vérins en prenant appui sur
l’élément lui même
La précontrainte se transmet au béton (le béton sera comprimé )
grâce à l’ancrage.
Domaine d’application: principalement les ouvrages d’art (tabliers des ponts,
pont à poutres préfabriquées), les poutres de dimensions non standards, les
planchers-dalles, etc.
Deuxième Famille
Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension
Coffrage, ferraillage et mise en place du câblage de précontrainte
Première
Famille
de câbles
22
poutres d’un pont secondaire faisant
partie du projet du pont principal à
Haubans Radès-La Goulette
Lanceur des
poutres
Tête
d’ancrage
Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension
Mise en tension des câbles de précontrainte après durcissement du béton
en prenant appui sur la poutre
Torons de
précontrainte
23
Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension
24
Mise en tension de la première famille des câbles de précontrainte en prenant
appui sur l’about de la poutre.
Remarque: cette opération est conduite avant la mise en place de la poutre sur les
appuis du pont, c.-à-d. avant la mobilisation de son poids propre .
Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension
Vérin
25
Mise en tension de la deuxième famille des câbles de précontrainte en prenant
appui sur la membrure supérieure de la poutre
Remarque: Cette opération est conduite après la mise en place des poutres sur les
appuis du pont et le coulage de l’hourdis , c.-à-d. suite à la mobilisation du poids
propre de la poutre et de celui de l’hourdis
Injection d’un coulis de ciment compact dans les gaines
=> protéger les câbles de précontrainte contre la corrosion
=> solidariser l’armature au béton et interdire tout
glissement longitudinal relatif
=> câbles injectés adhérents et précontrainte adhérente
Préparation du coulis de ciment Injection du coulis de ciment 26
Coffrage, ferraillage et câblage du tablier en caisson
Tablier de pont en béton précontraint
Têtes de fixation des
gaines
27
Tablier du pont d’approche nord du pont
principal à Haubans Radès-La-Goulette
Enfilage des gaines métalliques contenant les câbles de précontrainte
avant coulage du béton
Gaines métalliques
28
Mise en tension et ancrage des câbles sur
l’about du tablier après durcissement du bétonPlaque d’appui
Vérin
unifilaire
Torons
Tête
d’ancrage
29
La mise en tension est réalisée ici à l’aide d’un vérin unifilaire qui tend les fils
(torons) un après un.
• Ancrages le long du fil: la plupart
des grands procédés modernes
utilisent des câbles constitués de
n torons parallèles; après mise en
tension, les torons sont bloqués
Procédés d’ancrage actif
Ancrage
actif 12T15
30
tension, les torons sont bloqués
dans une tête d’ancrage percée de
n trous tronconiques au moyen de
mors métalliques constitués de
deux ou trois éléments appelés
clavettes [procédés Freyssinet K et
Monogroupe ; VSL ; CCL ; SEEE-
FUC ; LH ; PAC ; CONA, etc. ].
IV. Contrôle des connaissances• Le béton résiste très mal aux contraintes de………Précontraindre le béton c’est le soumettre……. avant sa
mise en chargement à une force de ……… permanente afin de………… ces contraintes. Pour les éléments fléchis, cet effort doit être ………..pour ne pas……… excessivement le béton.
• Dans le mode de précontrainte par pré-tension, les armatures sont tendues ……...le coulage du béton à l’aide d’un……..et en prenant appui sur deux ………métalliques extérieures aux éléments à précontraindre et placées aux extrémités du ……. de précontrainte. Après ……… du béton, la tension des armatures est ……… à l’aide d’un …………… de …………. ; le béton est …………. alors par simple ……… Ce mode de précontrainte s’apprête bien à la …………… des poutres, poutrelles, pré-dalles, dalles alvéolées, etc; c’est un procédé……..
• Dans l’autre mode de précontrainte par………, les armatures sont tendues ……...le coulage et le ………… du béton à l’aide d’un vérin et en prenant appui sur l’élément à……... ; l’effort de compression est transmis au béton grâce à …………Ce dispositif est formé principalement d’une……… ….…….trouée et des ……… Ce mode de précontrainte est utilisé principalement dans les …………des ……….. ………..
• Pour protéger les armatures contre la………..dans le mode de précontrainte par post-tension, il faut les • Pour protéger les armatures contre la………..dans le mode de précontrainte par post-tension, il faut les placer dans une ……………et injecter ensuite celle-ci avec un ……… ……..; il s’agit dans ce cas d’armatures …………..Une autre solution consiste à utiliser une ………….. …………….
• Dans le cas d’une poutre isostatique fléchie et précontrainte, déterminer le diagramme optimal des contraintes dans la section médiane (b*h) de la poutre, engendré par un effort de précontrainte Pappliqué avec une excentricité e :
31
b
he
σσσσ0
y
-σσσσ0
σ
y
σ
y
0
σ+ =
Action des Sollicitations
extérieures (M)
Action de la
Précontrainte (P, e)
Diagramme
final (M, P, e)
Donner les valeurs de P et e en fonction de σ0, h et b : P =………. ; e =………….
σσσσ0
P
Solution• Traction; avant; compression; éliminer (ou neutraliser);
excentré; comprimer
• Avant; vérin; culées; banc; durcissement; relâchée; vérin; détension; comprimé; adhérence; préfabrication; industriel
• Post-tension; après; durcissement; précontraindre; ancrage; tête d’ancrage; clavettes; tabliers des ouvrages ancrage; tête d’ancrage; clavettes; tabliers des ouvrages d’art
• Corrosion; gaine; coulis de ciment; adhérentes; graisse anticorrosive
• Action de la Précontrainte (P, e)
32
y
σσσσ0
0
σσσσ
6;
20
0 he
bhP −==
σ