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Construire en béton armé Réf. Internet : 43805 Actualisation permanente sur www.techniques-ingenieur.fr Techniques de l'Ingénieur CONSTRUCTION TECHNIQUES DU BATIMENT

TECHNIQUES DU BATIMENT

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Construire en béton armé Réf. Internet : 43805

Actualisation permanente sur www.techniques-ingenieur.fr

Techniquesde l'Ingénieur

CONSTRUCTION

T E C H N I Q U E S D U B A T I M E N T

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III

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IV

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 :

Williams PAUCHET

Ex Maître d'oeuvre de la Défense Nationale, Conseiller technique en construction et génie

civil

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SOMMAIRE

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1 – Technique du béton armé

Réf. Internet page

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 page

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 page

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

Techniques du bâtiment : Construire en béton armé

Réf. Internet 43805

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1 – Technique du béton armé

Réf. Internet page

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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Présentation du béton armé

a première structure en béton armé a été conçue en 1855 par l’ingénieurfrançais Joseph Lambot. Depuis cette date, ce matériau s’est fortement

répandu dans le domaine de la construction : bâtiments, ponts, murs de soutè-nement… en sont constitués. Le domaine des arts n’est pas en reste puisquecertains ouvrages sont réalisés, entièrement ou partiellement, en béton armé,comme la structure du Christ Rédempteur de Rio de Janeiro ou l’église duRaincy. Ses multiples avantages sont à l’origine de son succès à l’échellemondiale.

Cet article est le premier d’une série consacrée au béton armé. Il a pourobjectif de faire une brève présentation de ce matériau : après un rappel duprincipe de ce type de béton, cet article décrit ses avantages et inconvénients,les emplois possibles, ainsi que la normalisation en vigueur. Le lecteur estinvité à consulter les articles suivants : Les matériaux constitutifs du bétonarmé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulatslégers TBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérencebéton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en com-pression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140.

I – Historique ............................................................................................... TBA1100 - 2II – Principe du béton armé ........................................................................ — 2III – Domaine d’emploi................................................................................ — 2IV – Exécution d’un ouvrage en béton armé............................................. — 3V – Les textes réglementaires : les normes .............................................. — 3VI – Sites internet à consulter .................................................................... — 4

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Les matériaux constitutifsdu béton armé

e béton armé est caractérisé par sa grande résistance à la compression età 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 àl’association de deux matériaux complémentaires : le béton pour sa résistanceà la compression et l’acier pour sa résistance à la traction.

Bien que sa fabrication soit plutôt simple, certaines règles doivent être res-pectées. En effet, l’eau, le ciment, les adjuvants et les granulats qui constituentle béton sont, par exemple, soumis à des normes. De même, les armatures uti-lisées ont des caractéristiques géométriques et mécaniques spécifiques dont ilfaut tenir compte.

Cet article a pour objectif de dresser un panorama des informations essen-tielles relatives à ces deux matériaux : les types de ciments, de granulats,d’armatures, les propriétés du béton, les caractéristiques géométriques etmécaniques des armatures, les diagrammes contrainte-déformation des acierset du béton,... Différents tests à réaliser pour s’assurer de la bonne consistancedu béton (affaissement au cône d’Abrams) et vérifier sa résistance à la com-pression/traction sont exposés en fin d’article.

Cet article fait suite à l’article Présentation du béton armé TBA1100. Lelecteur est invité à consulter également les articles : Les granulats courantspour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul dubéton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en trac-tion TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton armé auxEurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

1. Les armatures ........................................................................................... TBA1105 - 2I – Les différents types d’armatures .......................................................... — 2II – Caractéristiques des armatures pour béton armé.............................. — 4III – Diagramme déformation-contrainte jusqu’à rupture des ronds lis-ses et aciers à haute adhérence (HA) ........................................................ — 4IV – Diagramme de calcul........................................................................... — 5V – Contrainte limite des aciers tendus HA de nuance Fe E 500............. — 5VI – Dispositions constructives .................................................................. — 6

2. Le béton ..................................................................................................... — 10I – Les constituants du béton ..................................................................... — 10

A. Le ciment ............................................................................................. — 10B. Les granulats ....................................................................................... — 11C. L’eau ..................................................................................................... — 12D. Les adjuvants....................................................................................... — 12

II – La mise en œuvre.................................................................................. — 12III – Propriétés du béton ............................................................................. — 12

A. Les qualités.......................................................................................... — 12B. Les caractéristiques du béton............................................................. — 13

IV – Diagramme contrainte-déformation du béton .................................. — 13V – Principaux essais sur béton ................................................................. — 15

A. Essai sur le béton frais........................................................................ — 15B. Essais sur le béton durci en éprouvettes normalisées..................... — 15C. Essais sur le béton durci de l’ouvrage............................................... — 16

VI – Les déformations du béton................................................................. — 16A. Les déformations indépendantes des charges appliquées ............. — 16B. Les déformations du béton sous les charges ................................... — 17

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LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS DU BÉTON ARMÉ

1 Les armatures

I - LES DIFFÉRENTS TYPES D’ARMATURES

Il existe différents types d’armatures. Leur qualité est contrôlée parla commission interministérielle d’homologation et de contrôle desarmatures pour béton armé instituée par l’arrêté du 29 mars 1983.

Les ronds lisses – Les ronds lisses sont des aciers douxlaminés à chaud.

Ils existent en deux nuances et sont caractérisés par leur limited’élasticité désignée par feE :

• FeE 22 qui est la notation européenne et correspond à la no-tation 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 chantierpour les crochets de levage et lorsqu’il faut procéder au pliageet au dépliage d’armatures (d’un diamètre supérieur à 10 mm).Afin de les distinguer des feE 22, le bout de la barre est peinten rouge. Le soudage à l’arc électrique est permis sur le chan-tier (cf. Fig. 2).

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

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

Il est également interdit de les plier et de les déplier en raisonde leur rupture fragile dangereuse.

En outre, il faut respecter les conditions de cintrage applica-bles aux armatures selon le fascicule 65, et vérifier la conditionde non-écrasement du béton.

Les fils et barres existent en deux nuances :

• FeE 40 (notation européenne) = FeE 400 (notation française) :cette nuance n’est presque plus utilisée ;

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

Il existe plusieurs types d’armature HA :

• Les barres et fils machines de type 1 : ce type d’armature est ob-tenu par laminage à chaud d’un acier dur naturellement, commel’acier Welbond. C’est le type d’acier le plus utilisé dans les ouvra-ges courants de béton armé pour les armatures principales.

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

Fig. 1 : Cadre, étrier et épingle.

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

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LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS DU BÉTON ARMÉ

Les treillis soudés – Les treillis soudés sont constitués deronds lisses bruts de tréfilage assemblés en maille carrée ourectangulaire par soudure électrique.

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

Leur résistance courante est de 500 MPa.

Ils sont commercialisés sous forme de panneaux de 3 à 5 m de longpar 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 mde large pour des sections inférieures à 5 mm (cf. Fig. 4).

Fig. 3 : Acier à haute adhérence.

Fig. 4 : Treillis soudé.

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LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS DU BÉTON ARMÉ

II - CARACTÉRISTIQUES DES ARMATURES POUR BÉTONARMÉ

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

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

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

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

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

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

Les caractéristiques mécaniques – Elles sont garanties parle 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-CONTRAINTEJUSQU’À RUPTURE DES RONDS LISSES ET ACIERSÀ HAUTE ADHÉRENCE (HA)

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

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

Tab. 1 – Diamètres et section des barres

Diamètre (mm) Section (cm2) Poids (kg/m) Ronds lisseset barres HA Fils HA1) Treillis soudés

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

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

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

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Les granulats courants pour béton

lément constitutif du béton, les granulats ont pour objectif d’améliorer larésistance 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 (granulatsroulés) ou des carrières (granulats concassés). À cela s’ajoutent les granulats« artificiels » issus de l’industrie sidérurgique (mâchefer, laitier, granulats recy-clés) ou bien encore fabriqués, comme l’argile expansée.

Choisir le type de granulats à utiliser est une étape importante qui nécessitede prendre en compte, dès ce moment, les performances attendues. En effet,suivant l’usage, les exigences concernant la résistance à l’usure ou aux frotte-ments du granulat ne seront pas les mêmes. Les caractéristiques mécaniquesne sont pas les seules à intervenir, les caractéristiques physico-chimiques etgéométriques sont également très importantes : par exemple, la porosité agitsur l’adhérence qui, elle-même, influence la résistance du béton à la compres-sion et à la traction.

Après un récapitulatif de la normalisation en vigueur et une présentation desdifférents types de granulats, cet article expose les caractéristiques géométri-ques, physico-chimiques et mécaniques des granulats. Plusieurs tests sontproposés, 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 LosAngeles, pour la résistance au choc.

Le lecteur est invité à consulter l’article : Les granulats légers TBA1112, pourplus de détails sur ce sujet.

1. Généralités ................................................................................................ TBA1110 - 2I – Documents de référence........................................................................ — 2II – Glossaire ................................................................................................ — 3

2. Différents types de granulats .............................................................. — 4I – Granulats naturels d’origine minéralogique........................................ — 4II – Granulats artificiels ............................................................................... — 4

3. Caractéristiques géométriques ........................................................... — 6I – Forme des granulats .............................................................................. — 6II – Granularité ............................................................................................. — 6

4. Caractéristiques physico-chimiques.................................................. — 14I – Masse volumique................................................................................... — 14II – Densité ................................................................................................... — 14III – Foisonnement des sables .................................................................... — 14IV – Porosité – Compacité........................................................................... — 14V – Propreté des granulats ......................................................................... — 15VI – Inertie ou activité chimique................................................................. — 17

5. Caractéristiques mécaniques............................................................... — 19I – Dureté...................................................................................................... — 19II – Méthodes de mesures .......................................................................... — 19

6. Quels granulats employer pour le béton ? ....................................... — 20

7. Les différents granulats ........................................................................ — 21I – Granulats courants................................................................................. — 21II – Granulats lourds.................................................................................... — 21

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LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON

1 Généralités

I - DOCUMENTS DE RÉFÉRENCE

A. Textes législatifs

Décret n° 98-28 du 8 janvier 1998 relatif à la composition ducahier des clauses techniques générales applicables auxmarchés publics de travaux et approuvant ou modifiant diversfascicules.

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

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 etn° 2003-947 du 3 octobre 2003, concernant l’aptitude à l’usagedes produits de construction et de l’arrêté du 27 juin 2003 appli-quant ce décret aux granulats et enrochements (directive duConseil des Communautés européennes 89/106/CEE du21 décembre 1988).

B. Normes

Normes internationales – ISO 6274:1982 de juin 1982. Béton.Analyse par tamisage des granulats

ISO 6782:1982 de juillet 1982. Granulats pour béton. Détermina-tion de la masse volumique en vrac.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

NF EN 1741 de juin 1998. Détermination de la résistance aucisaillement des jonctions entre les éléments préfabriqués réa-lisés en béton cellulaire autoclavé ou en béton de granulatslégers à structure ouverte, sous l’effet de forces agissant endehors du plan des éléments (P19-124).

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

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

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

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

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

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

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

NF P 18-308 de septembre 1965. Bétons - Pouzzolane (P18-308).

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

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

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LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON

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

P 18-556 de septembre 1990. Granulats - Détermination del’indice de continuité – Indice de classement (P18-556).

P 18-557 de septembre 1990. Granulats - Éléments pourl’identification des granulats (P18-557).

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

P 18-559 de juin 1992. Granulats - Mesure de la masse volu-mique des sables et gravillons dans l’huile de paraffine (P18-559).

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

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

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

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

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

P 18-597 de décembre 1990. Granulats - Détermination de lapropreté des sables : équivalent de sable à 10 % de fines(P18-597).

XP P 18-303 d’août 1999. Eau de gâchage pour béton (P18-303).

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

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

PR NF EN 1744-4. Essais pour déterminer les propriétés chi-miques des granulats. - Partie 4 : détermination de lasensibilité à l’eau des fillers pour mélange bitumineux (P18-660-4PR).

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

PR NF EN 1744-6. Essais relatifs aux propriétés chimiquesdes granulats. - Partie 6 : détermination de l’influence d’unextrait de granulat recyclé sur le temps de prise initial duciment (P18-660-6PR).

II - GLOSSAIRE

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

Cendres volantes – Produit résiduel issus des centrales ther-miques. Suivant leurs caractéristiques, elles améliorent certainespropriétés du béton frais ou durci : homogénéité, imperméabilité,

absence d’efflorescences, résistance mécanique à long terme,durabilité, ouvrabilité, fissuration réduite, effet pouzzolanique.

Classe granulaire – Elle caractérise un granulat en fonctionde sa dimension.

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

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

Galet – Caillou poli par frottement dont la plus petite dimen-sion est inférieure à 80 mm.

Granularité – Ce terme qualifie un granulat, en fonction desproportions de grains de différentes grosseurs.

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

Granulométrie – Détermination par mesure physique de lagranularité.

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

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

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

Masse volumique en vrac – La masse volumique en vrac estle quotient de la masse sèche remplissant un conteneur parle volume du conteneur.

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

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

Mœllon – Pierre de grosseur intermédiaire entre le caillou etle bloc

Pouzzolane – Roche naturelle constituée par des scories vol-caniques composées pour l’essentiel par de la silice (SiO3

d’alumine (Al2O3) et d’oxyde ferrique (Fe2O3).

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

Rocaille – Pierre provenant de la fragmentation des rochesdont la plus petite dimension est supérieure à 80 mm.

Silt – Particules de limon moins grosses que les particules desable mais plus grosses que les particules d’argile.

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

Tout-venant – Granulat exploité sans aucun traitementpréalable.

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

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LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON

2 Différents types de granulats

I - GRANULATS NATURELS D’ORIGINE MINÉRALOGIQUE

Parmi les granulats naturels, les plus utilisés proviennent deroches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de rochesmétamorphiques telles que les quartz et quartzites, ou deroches éruptives telles que les basaltes, les granites, lesporphyres.

Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe lesgranulats en deux catégories :

Granulats roulés – Les granulats dits roulés, dont la forme aété acquise par l’érosion, proviennent des torrents, rivières etfleuves qui ont entraîné et déposé au fond de leur lit des gra-nulats de différentes grosseurs. Le dépôt de chaque grain sefait proportionnellement à sa grosseur lorsque le courantl’emporte. Les exploitants découvrent de vastes carrières dematériaux présélectionnés dans les lits asséchés. Sous le solmeuble de dépôt récent, on trouve les graviers là où coulaientde puissants cours d’eau puis les sables plus bas vers lesembouchures des rivières. Tous ces matériaux, roulés parl’érosion, ont des angles arrondis qui facilitent leur glissement(ce qui est un avantage pour le compactage du béton, maisun inconvénient pour une fondation de route). Ils sont parfoisrecouverts d’une pellicule moins dure ou chimiquement activecomme les calcaires des silex.

Ils sont sélectionnés en carrière selon leur grosseur parpassage en trommel ou sur tamis. Ces granulats sont lavéspour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résis-tance du béton puis criblés pour obtenir différentes classes dedimension.

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

Granulats concassés – Les granulats de carrière sontobtenus par abattage et concassage, ce qui leur donne desformes angulaires. C’est ainsi que le sable concassé estfabriqué en gravière. On obtient, en montagne, tous les gra-nulats nécessaires à partir du rocher (cf. Fig. 1).

Les grains concassés ont des formes multiples et il faut, pourbeaucoup de domaines d’utilisation, en éliminer les plus irré-guliers en forme de grossières aiguilles ou de plaquettes.

Une phase de précriblage est indispensable à l’obtention degranulats propres. On obtient les différentes classes granu-laires souhaitées par des phases de concassage successives.

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

• origine de la roche ;

• régularité du banc ;

• degré de concassage.

La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avecsoin et après accord sur un échantillon.

II - GRANULATS ARTIFICIELS

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

A. Sous-produits industriels

Laitier – Le laitier provient des hauts-fourneaux. Il constitueles impuretés surnageant à la surface de la fonte en fusionrecueillie en bas de ces appareils.

On peut l’obtenir sous trois formes :

• le laitier concassé, lentement refroidi à l’air, il cristallise en unemasse gris clair que l’on peut ensuite concasser et broyer.

• le laitier granulé, obtenu par brusque refroidissement dansl’eau (trempe), il se forme en granulés de nature vitreuse. Il estsoit mis en œuvre en l’état, soit le plus souvent, s’il possède lescaractéristiques chimiques voulues, broyé pour entrer dans lacomposition des ciments au laitier ;

• le laitier expansé, refroidi par barbotage d’air humide dans samasse en cours de solidification, il cristallise sous forme alvéo-laire, légère.

Ces granulats sont utilisés notamment dans les bétons rou-tiers ou pour les bétons réfractaires.

Mâchefer – Le mâchefer est constitué par les cendresfondues extraites des fourneaux industriels alimentés aucharbon. L’usage de plus en plus réduit de ce dernier en faitun produit en voie de disparition.

Granulats recyclés – Ces granulats sont produits suite au recy-clage des gravats, des matériaux de démolition de constructionset de revêtements de chaussées (bétons, briques, asphaltes). Lesconcassés qui résultent de ce traitement ont différentes applica-tions en construction routière, bétons maigres et sables stabilisés.

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

B. Produits fabriqués

Leur coût plus élevé est compensé par les avantages que pro-curent leur légèreté et leur caractère isolant.

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

Dans le haut du four tunnel, la pâte commence par se désagrégeren séchant et à former des billes de toutes dimensions en roulantsur la paroi. Quand la température atteint 100 °C, l’eau inclusese vaporise ; les billes gonflent en se remplissant de multiplescavités pleines de vapeur. Puis, la température augmentant tou-jours, la cuisson des billes se produit par formation de silicateanhydre (2 Si02 ; AI203) pendant que la rotation perpétuelle leurconfère une peau compacte et imperméable.

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LES GRANULATS COURANTS POUR BÉTON

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

Vermiculite – La vermiculite est une roche micacée qui foi-sonne en cuisant et donne une structure poreuse composéed’éléments longilignes en forme de vermisseaux.

Liège et polystyrène expansé – Ces matériaux n’ont aucunerésistance mécanique. Dans le béton, ils jouent le rôle devides en prenant la place de granulats résistants. On pourraitles appeler des antigranulats.

Granulats industriels à hautes caractéristiques – Il s’agitde granulats élaborés spécialement pour répondre à certainsemplois, notamment granulats très durs pour renforcer larésistance à l’usure de dallages industriels (granulats ferreux,Carborundum…) ou granulats réfractaires.

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

caractéristiques de résistance, d’isolation et de poids trèsintéressantes.

Les plus usuels sont l’argile ou le schiste expansé et le laitierexpansé. D’une masse volumique variable entre 400 et800 kg/m3 selon le type et la granularité, ils permettent de réa-liser aussi bien des bétons de structure que des bétonsprésentant une bonne isolation thermique.

Les gains de poids sont intéressants puisque les bétons réa-lisés ont une masse volumique comprise entre 1 200 et2 000 kg/m3.

Granulats très légers – Ils sont d’origine aussi bien végétaleet organique que minérale (bois, polystyrène expansé).

Très légers (20 à 100 kg/m3) ils permettent de réaliser desbétons de masse volumique comprise entre 300 et 600 kg/m3.

On voit donc leur intérêt pour les bétons d’isolation, mais éga-lement pour la réalisation d’éléments légers blocs coffrants,blocs de remplissage, dalles, ou rechargements sur plancherspeu résistants.

Fig. 1 : Tri des granulats en carrière.

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Les granulats légers

a diversité des granulats employés pour la fabrication du béton a étédécrite dans l’article Granulats courants pour le béton TBA 1110. Nous

allons ici nous attarder sur un type particulier de granulats, les granulatslégers, utilisés pour la fabrication des bétons dits « légers ». Un béton léger estun béton qui contient de l’air. Il peut être mis en œuvre de deux manières : soitl’air est contenu dans la pâte, on parle alors de « béton cellulaire », soit l’air estcontenu 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 (commele laitier expansé, les granulats végétaux, le mâchefer,…).

Ces bétons ont des caractéristiques particulières qui font d’eux des maté-riaux 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. Pourchacun d’eux, il décrit les techniques de fabrication du granulat, ses caractéris-tiques (granulométrie, composition chimique) ainsi que les caractéristiques(conductivité thermique, résistance à la compression, à la traction,…) desbétons qui en sont issus.

Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les matériaux consti-tutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110,Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acierTBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compressionTBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur cesdifférents sujets.

1. Généralités ................................................................................................ TBA112 - 2I – Intérêt des bétons légers ....................................................................... — 2II – Différents types de bétons légers ........................................................ — 2III – Granulats légers ................................................................................... — 2IV – Caractères communs des granulats légers ....................................... — 2V – Contrôle de la qualité des granulats ................................................... — 3VI – Composition des bétons ..................................................................... — 4

2. Les principaux granulats légers .......................................................... — 5I – Argile expansée...................................................................................... — 5II – Cendres volantes frittées ...................................................................... — 6III – Laitier expansé ..................................................................................... — 10IV – Schiste expansé ................................................................................... — 12V – Vermiculite ............................................................................................ — 14VI – Perlite .................................................................................................... — 15VII – Polystyrène expansé .......................................................................... — 16VIII – Ponce .................................................................................................. — 17IX – Pouzzolane ........................................................................................... — 20X – Mâchefer ............................................................................................... — 21XI – Granulats végétaux ............................................................................. — 21XII – Liège .................................................................................................... — 22

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LES GRANULATS LÉGERS

1 Généralités

I - INTÉRÊT DES BÉTONS LÉGERS

Les bétons légers sont appréciés pour leurs différentescaractéristiques.

Légèreté – Le gain de poids est apprécié dans tous lesdomaines où le poids propre des éléments joue un rôle impor-tant, notamment pour la réhabilitation des bâtiments anciens.

La légèreté permet des économies importantes sur :

• les fondations ;

• les structures ;

• les engins de manutention et les coffrages.

Isolation thermique – L’isolation thermique influe directementsur la notion de confort, mais elle entraîne aussi des implica-tions économiques :

• simplification des éléments de construction ;

• économies de chauffage et économie d’énergie.

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

Isolation acoustique – Certains bétons de granulats de boisont des bonnes performances thermo-acoustiques et sont uti-lisés notamment dans les panneaux antibruit.

Résistance au feu – Les bétons légers réfractaires participentaussi à l’amélioration de la résistance au feu du fait des qualitésthermiques du matériau et de la chute relativement lente despropriétés mécaniques en fonction de la température.

II - DIFFÉRENTS TYPES DE BÉTONS LÉGERS

Il faut distinguer les bétons rendus légers par intégration devides, d’air dans la masse du béton ou par l’utilisation de gra-nulats légers.

Bétons caverneux – L’air est contenu entre les granulats (éven-tuellement aussi au sein des granulats).

Les bétons caverneux sont des bétons constitués d’un squelettede granulats légers ou non ayant sensiblement la même gros-seur et d’un liant assurant l’enrobage et le collage des grainsentre eux. En fait, il s’agit de bétons dont on a supprimé toutou partie de l’élément fin et du liant correspondant servant à sonenrobage. Buts recherchés : bétons économiques, gains depoids, bonne isolation thermique.

Bétons cellulaires – L’air est contenu dans la pâte.

Les bétons cellulaires sont des matériaux constitués d’une pâtede sable siliceux et de liant hydraulique dans laquelle on faitnaître des petites bulles dont le diamètre est de l’ordre de 1 mm :

• soit par réaction chimique (béton gaz) ;

• soit par action physique au cours du malaxage (béton mousse).

Les buts recherchés sont l’obtention d’une :

• très grande légèreté ;

• très bonne isolation thermique ;

• grande résistance au feu.

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

Les bétons pleins de granulats légers sont des bétons pleinsclassiques dans lesquels les granulats normaux ont été rem-placés par des granulats présentant une structure alvéolée,scoriacée ou cellulaire. Buts recherchés : la légèreté, maissurtout de bonnes résistances mécaniques.

III - GRANULATS LÉGERS

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

Matériaux naturels – Ce sont des granulats comme la ponceet la pouzzolane.

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

Matériaux artificiels ne subissant pas de traitement spécial –Il s’agit souvent de déchets industriels de structure expansée. Lemâchefer répond à cette définition. On peut affecter aussi à cettecatégorie les briquaillons.

Matériaux artificiels obtenus après divers traitements spé-ciaux – Dans cette catégorie, figure la majorité des grandsdéchets industriels : le laitier expansé (sous-produit de l’industriemétallurgique), les cendres volantes frittées (sous-produits pro-venant des centrales thermiques) et les granulats végétaux,sciures et copeaux (sous-produits de l’industrie du bois). Unautre type de matériau est apparu beaucoup plus récemment :c’est le verre expansé.

IV - CARACTÈRES COMMUNS DES GRANULATS LÉGERS

Forme – La forme, comme l’état de surface des grains, joue untrès grand rôle dans la recherche de la qualité finale des bétons.

Des formes ramassées sont souhaitables, de même que dessurfaces régulières. Ces critères ont, en effet, une grande impor-tance sur la maniabilité des bétons, sur les quantités de cimentconsommées et sur les résistances finales.

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

État de surfaces – Cette notion est très liée à celle de rugo-sité. Cette rugosité entraîne une consommation en pâte demortier plus importante que dans le cas de grains lisses, caril faut combler les alvéoles et les cavernes situées à lapériphérie du granulat.

Certains matériaux présentent des états de surface très irré-guliers comme les pouzzolanes et les ponces.

Structure des grains – La structure alvéolaire des grains pro-vient de la formation de gaz à l’intérieur même du matériaudue à l’action des hautes températures. Certains grains ontune structure lamellaire provenant d’une exfoliation sousl’action d’une élévation de température.

Masse volumique apparente des granulats en vrac – Lamasse volumique apparente en vrac sèche est généralementcomprise entre la moitié et les deux tiers de la masse volu-mique réelle.

Pour les sables, cette formule n’est plus valable, car lesmasses volumiques en vrac et réelles se rapprochent davan-tage l’une de l’autre.

On choisira l’importance de la masse volumique apparente desgranulats en fonction des utilisations des bétons (cf. Tab. 1).

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

• 0/3, 0/4, 0/5 pour les sables ;

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

• 10/20 pour les gros grains.

On ne dépasse pratiquement jamais les 20 mm, car au-delàles chutes des résistances mécaniques deviennent trop impor-tantes par rapport aux faibles gains sur le plan de l’isolationthermique.

V - CONTRÔLE DE LA QUALITÉ DES GRANULATS

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

Impuretés – Étroitement lié à la constance, le degré de puretédes granulats influe sur la qualité des bétons fabriqués. Lesgranulats ne doivent pas contenir d’impuretés dont la naturepuisse nuire aux propriétés des bétons ou à la conservationdes armatures (matières humiques, matières à base desoufre, de chlore…).

Résistance du grain – La résistance finale du béton est direc-tement fonction de la résistance du granulat. On le constated’ailleurs dans l’évolution des résistances des bétons dans letemps. Ainsi, pour un béton normal, la courbe des résistancesà la compression évolue en fonction de l’accroissement de larésistance de la pâte, car la résistance du granulat n’est pasen cause. Celle-ci est, dans la majorité des cas, nettementsupérieure à celle du mortier. Pour le béton léger, la courbe

Fig. 1 : Forme des granulats légers.

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

Types de béton Masse volumique en kg/m3

Béton lourd > 3 000

Béton semi-lourd 2 500 à 3 000

Béton normal 2 200 à 2 500

Béton léger < 1 800

Béton très léger < 500

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LES GRANULATS LÉGERS

est beaucoup plus « cassée ». En effet, dès que le mortieratteint la résistance du grain, le point faible dans le bétondevient alors le granulat, ce qui entraîne un plafonnement desrésistances (cf. Fig. 2).

La résistance au choc et la fragilité du grain revêtent aussi unecertaine importance, notamment au moment de la fabricationdu béton. Des modifications des courbes granulométriques,dues notamment à l’action du malaxage, peuvent entraînerquelques modifications de résistances.

Porosité – Absorption d’eau – La porosité élevée des gra-nulats légers, due à leur structure cellulaire, leur permetd’absorber de grandes quantités d’eau avec des vitessesdiverses. Cette propriété représente une source de difficultéspour l’entreprise qui doit effectuer des dosages précis et fabri-quer des bétons avec des teneurs en eau à peu prèsconstantes (cf. Tab. 2).

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

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

VI - COMPOSITION DES BÉTONS

Caractéristiques souhaitées – Le choix des composition estdicté par les caractéristiques que l’on désire obtenir pour lebéton.

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

Signalons, cependant, que la résistance du béton étant limitéepar la taille du plus gros grain, on n’a guère intérêt à dépasserune teneur en ciment de 350 à 400 kg/m3.

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

Tab. 2 – Valeurs moyennes en pourcentage d’absorption d’eau

Types de granulatsPourcentage 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 1 000

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

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LES GRANULATS LÉGERS

2 Les principaux granulats légers

I - ARGILE EXPANSÉE

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

Après refroidissement, on obtient un produit léger, dur, àtexture cellulaire très marquée dont la masse volumique réellevarie de 750 à 1 200 kg/m3. Après criblage ou éventuellementconcassage, les nodules ont, suivant leurs granularités, desmasses volumiques apparentes comprises pour la plupartentre 300 et 1 000 kg/m3.

L’élément constitutif est une argile grasse ; introduite humidedans un four rotatif spécial, elle en ressort après séchage,expansion et cuisson à plus de 1 100 °C, sous la forme denodules plus ou moins arrondis à texture interne finementalvéolée et présentant généralement une surface lisse légère-ment vitrifiée ; ils constituent un granulat de faible densité prêtà 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 0,9pour le 10/20 et 1,0 pour le 3/10.

La compacité de ces granulats en vrac (non tassés) estd’environ 0,55 ; autrement dit, un mètre cube de granulat sec10/20 en vrac pèse environ 0,55 × 0,9 × 1 000 ≈ 500 kg. Si,par immersion ou arrosage, il absorbe 20 % d’eau, parexemple, ce même mètre cube en vrac pèsera alors :

500 × 1,20 = 600 kg environ.

Ces valeurs sont données à titre indicatif car elles peuventvarier assez sensiblement d’une production à une autre et ilconviendra de les vérifier par quelques mesures sur les maté-riaux réellement utilisés.

Ces produits ont en effet tendance à absorber une importantequantité d’eau qui peut atteindre à saturation, au bout de plusd’un mois 30 à 50 % de leur poids initial à sec ; l’absorptionest assez rapide au début ; il convient donc en général de lesprémouiller avant introduction dans le malaxeur et de prévoirde préférence un dosage volumétrique étant donné l’incerti-tude du degré d’humidification. Il semble en général qu’unprémouillage de l’ordre de 10 à 15 % en poids soit suffisant.

A. Expansion

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

une augmentation importante de la température. Les gaz, quiprovoquent 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 dansl’argile à l’état visqueux donnant ainsi une structure cellulaireau matériau.

B. Composition chimique de l’argile de base

La composition chimique idéale de l’argile expansible pourraitêtre définie par les fourchettes données au tableau 1.

C. Fabrication industrielle

Le schéma général de fonctionnement d’une usine defabrication d’argile ou de schiste expansé – Voici les dif-férents types de fabrication d’argile ou de schiste :

• extraction de l’argile en carrière ;

• convoyage de cette matière vers les installations detraitement ;

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

• homogénéisation ;

• pourrissage et humidification, laminage et/ou filage et granu-lation, séchage ;

• cuisson expansion ;

• refroidissement avec récupération des calories ;

• criblage et stockage.

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

Tab. 1 – Proportion des composants de l’argile expansible

Composants Pourcentage

Al203 16 à 20

Si02 50 à 65

Fe203 5 à 9

CaO 1 à 4

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)

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Les bases de calcul du béton armé

vant 1850, la construction des ouvrages ne répondait à aucun critère spé-cifique, ce qui pouvait avoir des conséquences désastreuses ; en effet,

nombre d’entre eux se sont effondrés. La cathédrale de Beaune en est unexemple, de même que le pont des Arts, à Paris, qui a été reconstruit à plu-sieurs reprises depuis sa création, en 1801.

Cette problématique a encouragé les ingénieurs à s’intéresser à la théorie dela résistance des matériaux et c’est ainsi que des règlements concernantchaque 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 règle-ment est basé sur la théorie des contraintes admissibles, avec un coefficient desécurité relatif à ce matériau.

Cet article a pour objectif d’expliquer les bases de calcul du béton armé ; ysont notamment développées les hypothèses de calcul vis-à-vis des étatslimites ultimes de résistance (ERU), des états limites de service (ELS), les notesde calcul et plan de ferraillage ; un exemple de dimensionnement est égale-ment fourni.

Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les matériaux consti-tutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110,Les granulats légers TBA1112, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les élémentsen traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, Le béton arméaux Eurocodes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

I – De l’étude à la réalisation ...................................................................... TBA1120 - 2II – La sécurité.............................................................................................. — 2III – Les actions ............................................................................................ — 3IV – Les valeurs caractéristiques................................................................ — 4V – Les sollicitations ................................................................................... — 4

A. Sollicitations à l’ELU ........................................................................... — 5B. Sollicitations à l’ELS............................................................................ — 5

VI – Les situations ....................................................................................... — 5VII – Les états limites .................................................................................. — 5VIII – La combinaison d’actions ................................................................. — 6

A. Vis-à-vis des états limites ultimes de résistance .............................. —B. Vis-à-vis des états limites de service ................................................. —

IX – Les hypothèses de calcul .................................................................... — 8A. Vis-à-vis des états limites ultimes de résistance .............................. — 8B. Vis-à-vis des états limites de service ................................................. — 10

X – Le dimensionnement............................................................................ — 10A. Vis-à-vis des états limites ultimes de résistance .............................. — 10B. Vis-à-vis des états limites de service ................................................. — 10

XI – La note de calcul .................................................................................. — 11XII – Le plan de ferraillage.......................................................................... — 12XIII – Quelques ratios d’acier courants...................................................... — 12XIV – Charges dans les ouvrages .............................................................. — 12

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LES BASES DE CALCUL DU BÉTON ARMÉ

I - DE L’ÉTUDE À LA RÉALISATION

Un ouvrage en béton armé doit être conçu et calculé demanière à résister à toutes les sollicitations auxquelles il estsoumis dans sa durée d’utilisation, dans des règles de sécuritésuffisantes.

Conception et exécution – La structure en béton armé doitdonc être considérée sous deux aspects :

• la conception du projet consiste à déterminer l’ouvrage :

– la géométrie de la structure : cohérence de la géométrie parrapport à l’équilibre statique, détails de construction, manièred’assemblage des éléments, disposition des aciers, etc.

– l’étude des sollicitations qui s’exercent sur les différents élé-ments 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.

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

II - LA SÉCURITÉ

Jusqu’au XIXe siècle, les ouvrages se construisaient dansl’empirisme le plus total : aucun règlement de calcul n’existait.Les édifices s’écroulaient parfois, comme l’effondrement de lacathédrale de Vézelay en 1104 ou encore Autun ou Beaune.De nombreux ponts également n’ont pas résisté : c’est le casde la passerelle des Arts à Paris reconstruite sept fois.

Au cours du XIXe siècle, la théorie de la résistance des maté-riaux commence à s’élaborer sous l’égide de MM. Navier,Saint-Venant, Bresse, de Fontviolant, et les premiersrèglements apparaissent vers 1850.

Ceux-ci s’appliquent à tous les matériaux utilisés : fer, acier,béton armé, maçonnerie. En 1906 apparaît le premierrèglement de calcul de béton armé.

Tous ces règlements sont basés sur la théorie des contraintesadmissibles avec un coefficient de sécurité uniquement sur lematériau utilisé.

Exemple

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

avec k = 3,5 ou 1/k = 0,28.

Puis on introduit la pondération sur les actions.

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

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

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

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

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

Fig. 1 : Cheminées de Caquot.

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LES BASES DE CALCUL DU BÉTON ARMÉ

III - LES ACTIONS

Définition – On appelle actions les forces, les moments et lesdéformations imposés à une structure, à cause de chargespermanentes, d’exploitation, climatiques, etc.

Les actions sont classées en trois catégories.

Le BAEL définit « action » comme toute cause produisant unecontrainte dans la construction.

Les actions permanentes G – Ce sont les actions continuesou peu variables dans le temps. Elles conserveront toujoursla même intensité.

On distingue :

• le poids propre de la structure G0

On considère (sauf exceptions spécifiées) la masse volumiquedu 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 li-quides 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 à2 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. 2 : Contraintes limites en compression et en flexion du béton.

Fig. 3 : Action permanente sur 2 poutres.

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

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L’adhérence béton - acier

omme cela a été expliqué dans les articles Présentation du béton arméTBA1100 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. Cesmatériaux possèdent des propriétés complémentaires (l’un résiste à la tractiontandis que l’autre résiste à la compression), ce qui rend ce type de béton trèsrésistant. Cette propriété notamment explique son succès dans le domaine dela construction. Mais l’efficacité de cette association ne serait rien sans un phé-nomène particulier : l’adhérence. L’adhérence correspond au phénomène defrottements 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 laconception de l’adhérence : l’ancrage des barres, les conditions de façonnagedes barres courbes, les conditions de non-écrasement du béton, les armaturesde couture, le recouvrement des barres, le chaînage. Un exemple de calcul delongueur de scellement est détaillé en fin d’article.

Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les granulats cou-rants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calculdu béton armé TBA1120, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments encompression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, pour plus dedétails sur ces différents sujets.

1. Conception ................................................................................................ TBA1125 - 2I – Le rôle de l’adhérence ........................................................................... —II – La contrainte d’adhérence .................................................................... — 3III – L’ancrage des barres............................................................................ — 3

A. Le scellement droit.............................................................................. — 3B. L’ancrage par courbure....................................................................... — 5

IV – Conditions des barres courbes ........................................................... — 5A. Condition de façonnage des barres courbes .................................... — 5B. Condition de non-écrasement du béton............................................ — 5

V – Ancrages courbes courants ................................................................. — 9VI – Armatures de couture.......................................................................... — 10VII – Recouvrement des barres .................................................................. — 11VIII – Chaînage............................................................................................. — 13

A. Barre couvre-joint................................................................................ — 13B. Jonction par chaînage......................................................................... — 14

IX – Dispositions constructives .................................................................. — 14

2. Exemple de calcul de longueur de scellement................................ — 16I – Données .................................................................................................. — 16II – Calcul de la longueur de scellement droit........................................... — 16III – Calcul de la longueur de scellement courbe...................................... — 16

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L'ADHÉRENCE BÉTON - ACIER

1 Conception

I - LE RÔLE DE L’ADHÉRENCE

S’il n’y avait pas d’adhérence entre le béton et l’acier, le maté-riau « béton armé » n’existerait pas.

Définition – L’adhérence est l’action des forces qui s’oppo-sent au glissement des armatures dans le béton.

L’adhérence est un phénomène de frottement entre l’acier etle béton dont le coefficient vaut 0,4, ce qui correspond à unangle de frottement de π/8.

L’adhérence permet aux armatures de transmettre les effortsau béton par contact entre les deux matériaux.

L’adhérence assure trois rôles :

• elle assure le scellement (ou l’ancrage) des barres (Cf. Fig. 1) ;

• elle s’oppose au glissement des barres tendues ;

• elle distribue la fissuration (Cf. Fig. 2).

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

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

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

Remarque

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

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

Fig. 2 : Distribution de la fissuration.

Fig. 3 : Essai du « pull-out ».

Fig. 4 : Diagramme du glissement.

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L'ADHÉRENCE BÉTON - ACIER

• l’épaisseur du béton d’enrobage ;

• les aciers de couture ;

• la présence de contraintes normales à la surface acier/béton.

II - LA CONTRAINTE D’ADHÉRENCE

Calculs – Une barre scellée dans le béton est soumise à desforces de traction opposées (Cf. Fig. 5).

Une contrainte quelconque vaut :

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

La contrainte limite d’adhérence dans le béton s’écrit :

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 scelle-ment droit ls est la longueur d’ancrage total dans le béton(Cf. Fig. 6), c’est-à-dire la longueur scellée nécessaire pourque l’acier supporte un effort maximal F à l’extrémité libre dela barre sans se desceller :

Contrainte d’adhérence dans l’acier :

avec :

D’où la longueur de scellement droit ls :

avec :

fe : contrainte dans l’acier

τsu : contrainte dans le béton.

Les valeurs forfaitaires des longueurs de scellement droit sontindiquées au tableau 1.

Fig. 5 : Contraintes dans une barre.

Fig. 6 : Scellement droit.

Tab. 1 – Valeurs forfaitaires des longueurs de scellement droit

Aciers Nuance Longueur des scellements droits ls

Ronds lissesfe E 22

50 Øfe E 24

HAfe E 400 40 Ø

fe E 500 50 Ø

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L'ADHÉRENCE BÉTON - ACIER

Attention !

Condition pour mettre en place un ancrage droit : la longueurtotale de la barre doit être supérieure à la longueur descellement : l > ls

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

Les longueurs minimales de scellement droit sont indiquéesdans le tableau 2.

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

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

Remarque

• Lorsque plusieurs barres sont regroupées par paquet, cha-que barre doit être ancrée individuellement. Les longueursd’ancrage ne doivent pas se chevaucher.• Attention : il est interdit d’arrêter toutes les armatures dansla même section ( Fig. 8).

Tab. 2 – Longueurs minimales de scellement droit.

fc28 MPa 20 25 30 35 40 45

ls

fe E 400 41 35 31 27 25 22

fe E 500 51 44 39 34 31 28

Fig. 7 : Longueur de scellement droit pour un paquet de trois barres.

Fig. 8 : Ancrage courbe.

cf.cf.

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Les éléments en traction

es constructions en béton armé sont réputées pour leur grande résis-tance, 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 égale-ment « ferraillage », ont pour objectif de limiter la déformation des piècestendues.

Le présent article s’intéresse exclusivement au phénomène de traction. Ilaborde le dimensionnement des armatures dans un tirant, la section d’acierminimale à mettre en œuvre dans une pièce de béton (ou condition de non-fragilité). À noter que le cas des enveloppes (cuves, réservoirs et canalisations)est également traité.

La compression sera abordée dans l’article : Les éléments en compressionTBA1132, le lecteur pourra s’y reporter pour plus d’informations. Il est invité àconsulter également les articles : Présentation du béton armé TBA1100, Lesmatériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pourbéton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du bétonarmé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Le béton armé aux Euro-codes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

I – Les pièces tendues................................................................................. TBA1130 - 2II – Le dimensionnement des armatures dans un tirant .......................... — 4III – La condition de non-fragilité : section d’acier minimale................... — 4IV – Vérification des contraintes ................................................................ — 5V – Cas spécial des enveloppes ................................................................. — 5VI – Dispositions constructives d’une pièce tendue................................. — 5VII – Exemple............................................................................................... — 5

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LES ÉLÉMENTS EN TRACTION

I - LES PIÈCES TENDUES

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

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

La section de ces pièces est entièrement et uniformémenttendue.

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 déformationest l’allongement. Le ferraillage type est indiqué en figure 3 :

• une suspente (Cf. Fig. 4). ;

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

• 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. 1 : Pièce soumise à une traction simple.

Fig. 2 : Tirant.

Fig. 3 : Ferraillage type.

Fig. 4 : Suspente.

Fig. 5 : Diagonale.

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Les éléments en compression

ans un ouvrage en béton armé, certaines pièces sont soumises à la com-pression (on parle alors de « pièces comprimées »), il s’agit notamment

des appuis d’ouvrages et des poteaux. Ces derniers peuvent voir apparaître unphénomène de déformation que l’on appelle « le flambement ». Le ferraillage(ensemble des armatures en acier) a pour objectif de renforcer la structure enbéton.

Après avoir expliqué les calculs de la longueur du flambement d’un poteaude bâtiment puis d’un poteau isolé, cet article aborde le dimensionnement desarmatures dans un poteau. Quelques règles à suivre concernant les disposi-tions constructives d’une pièce comprimée sont également fournies (armatureslongitudinales, transversales, ferraillage types des poteaux).

À noter que les pièces soumises à un effort de traction sont développéesdans un autre article : Les éléments en traction TBA1130. Le lecteur est invité àconsulter également les articles : Présentation du béton armé TBA1100, Lesmatériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granulats courants pourbéton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases de calcul du bétonarmé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Le béton armé aux Euro-codes TBA1140, pour plus de détails sur ces différents sujets.

I – Les pièces comprimées ......................................................................... TBA1132 - 2II – Le flambement ...................................................................................... — 3III – Le dimensionnement des armatures dans un poteau ...................... — 6IV – Dispositions constructives d’une pièce comprimée ......................... — 7

A. Armatures longitudinales................................................................... — 7B. Armatures transversales..................................................................... — 7C. Ferraillages types des poteaux........................................................... — 7

V – Exemple................................................................................................. — 7

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LES ÉLÉMENTS EN COMPRESSION

I - LES PIÈCES COMPRIMÉES

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

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

La section de ces pièces est entièrement et uniformémentcomprimée.

Le centre de gravité est confondu avec celui des armatures.

Types de pièces – Une pièce entièrement comprimée peutêtre :

• un poteau (Cf. Fig. 2). Sa déformation est le flambement(Cf. Fig. 3). Le ferraillage type est indiqué en figure 4 ;

Fig. 1 : Pièce en compression.

Fig. 2 : Poteau. Fig. 3 : Flambement.

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LES ÉLÉMENTS EN COMPRESSION

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

Sa déformation apparaît grisée sur la figure 6. Le ferraillagetype est indiqué en figure 7. Ces pièces comprimées par despressions localisées sont traitées dans l’article A.5.2.4 duBAEL (vérification au poinçonnement). Cela concerne princi-palement les appuis de pont par l’intermédiaire de plaquesd’élastomère, les zones d’appui des vérins de poussée sur unélément d’ouvrage. Les pressions localisées ne seront pastraitées dans ce chapitre, car ce cas ne correspond pas à laconstruction d’un bâtiment traditionnel.

Remarque

En réalité, le centre de gravité des aciers et celui du bétonne sont pas confondus. L’effort normal n’est donc jamaiscomplètement centré. Cette différence crée des effets dusecond ordre et génère des moments en pied de poteau(Cf. Fig. 8).

Cas théorique ei = 0 – Dans ce chapitre, on traite le cas théo-rique ei = 0. En compression simple, on ne tient pas comptedes effets du second ordre qui seront étudiés en flexioncomposée.

II - LE FLAMBEMENT

La longueur de flambement lf est évaluée en fonction de lalongueur initiale l0 (Cf. Fig. 9). Il faut vérifier la résistance d’unpoteau suivant ses deux plans de flambement (Cf. Fig. 10).

Calcul de la longueur de flambement d’un poteau de bâti-ment – Au sous-sol :

* L’inertie de la poutre principale du premier étage est supé-rieure à l’inertie du poteau.

À l’étage courant :

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

Fig. 4 : Ferraillages types.

Fig. 5 : Appui d’ouvrage.

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

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

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Le béton armé aux Eurocodes

es codes européens de conception et de calcul des ouvrages, appelés com-munément « Eurocodes », ont pour objectif d’harmoniser les règles de

construction à l’échelle de l’Europe. Il existe dix Eurocodes : quatre d’entre euxsont communs à tous les matériaux, les autres sont spécifiques à l’un d’entreeux. Il s’agit, par exemple, de l’Eurocode 5 qui concerne les calculs des struc-tures en bois, de l’Eurocode 9 qui est relatif aux structures en aluminium. Lebéton (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) en2004.

Cet article développe les bases de calcul (états limites, méthodes des coeffi-cients 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, àla traction, module d’élasticité, conditions d’adhérence béton-acier). Enfin, unchapitre est consacré aux poteaux, en particulier aux conditions d’encastre-ment qui ne sont pas abordées dans le règlement.

Le lecteur est invité à consulter également les articles : Présentation du bétonarmé TBA1100, Les matériaux constitutifs du béton armé TBA1105, Les granu-lats courants pour béton TBA1110, Les granulats légers TBA1112, Les bases decalcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les élé-ments en traction TBA1130, Les éléments en compression TBA1132, pour plusde détails sur ces différents sujets.

1. Introduction aux Eurocodes ................................................................. TBA1140 - 2I – Objectif des Eurocodes.......................................................................... — 2II – L’Eurocode 2.......................................................................................... — 2III – Les états limites.................................................................................... — 4IV – Méthode des coefficients partiels....................................................... — 4V – Les conditions d’environnement ......................................................... — 5

2. Les matériaux ........................................................................................... — 8I – Le béton .................................................................................................. — 8

A. Les composants du béton .................................................................. — 8B. La résistance à la compression .......................................................... — 9C. La résistance à la traction ................................................................... — 10D. Diagramme contrainte-déformation.................................................. — 10E. Déformations du béton ....................................................................... — 12

II – L’acier ..................................................................................................... — 13III – L’adhérence acier-béton et les ancrages............................................ — 15

3. Les poteaux ............................................................................................... — 17I – Caractéristiques d’un poteau ................................................................ — 17II – Poteau élancé ....................................................................................... — 23III – Poteau peu élancé : méthode de la compression centrée ................ — 24

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LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES

1 Introduction aux Eurocodes

I - OBJECTIF DES EUROCODES

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

Les Eurocodes sont des codes de conception et de calcul desouvrages de structure destinés à se substituer aux normes natio-nales dans chacun des États membres. Ces nouvelles normesservent désormais de référence dans tous les États membrespour les spécifications techniques liées à la construction.

Les États devant mettre en application les Eurocodes sont lessuivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Chypre, Danemark,Espagne, Estonie, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Irlande,Islande, Italie, Lettonie, Lituanie, Luxembourg, Malte, Nor-vège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque,Royaume-Uni, Slovaquie, Slovénie, Suède et Suisse.

Les normes Eurocodes sont les suivantes :

• NF EN 1990 (mars 2003) « Eurocodes structuraux – Euro-code 0 : Bases de calcul des structures » ;

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

• Série NF EN 1992 « Eurocode 2 : Calcul des structures enbéton » ;

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

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

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

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

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

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

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

Les annexes nationales (AN) sont des documents d’applica-tion propres à chaque pays qui portent sur les valeurs et lesprincipes. Elles permettent une transition vers les Eurocodesmais devraient disparaître en 2015.

Une coexistence avec les règlements français est envisagéejusqu’en 2010.

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

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

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

L’EC0 définit les exigences de base :

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

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

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

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

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

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

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

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

• Partie 3 : Silos et réservoirs.

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

• NF EN 1990 (mars 2003) « Eurocodes structuraux – Bases decalcul des structures » ;

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

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

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

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

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

La norme EC2 a été adoptée par le Comité européen de nor-malisation le 16 avril 2004 et existent en trois versionsofficielles : français, anglais, allemand.

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

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

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LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES

Symboles – Le tableau 1 rassemble les symboles en lettresmajuscules.

Le tableau 2 concerne les 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 Aire de la section minimale d’armatures

Asw Aire de la section des armatures d’effort tranchant

D Diamètre du mandrin de cintrage

DEd Endommagement total dû à la fatigue

E Effet des actions

Ec, Ec(28) 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

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

F Action

Fd Valeur de calcul d’une action

Fk Valeur caractéristique d’une action

Gk Valeur caractéristique d’une action permanente

I Moment d’inertie de la section de béton

L Longueur

M Moment fléchissant

MEd Valeur de calcul du moment fléchissant agissant

N Effort normal

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

Qk Valeur caractéristique d’une action variable

R Résistance

S Efforts et moments internes (sollicitations)

S Moment statique

SLS État-limite de service (ELS)

T Moment de torsion

TEd Valeur de calcul du moment de torsion agissant

ULS État-limite ultime (ELU)

V Effort tranchant

VEd Valeur de calcul de l’effort tranchant agissant

Tab. 2 – Symboles en lettres minuscules

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

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

ft Résistance en traction de l'acier de béton armé

ftk Résistance caractéristique en traction de l'acier de béton armé

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

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

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

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

h Hauteur

i Rayon de giration

k Coefficient

l Longueur ou portée

m Masse

r Rayon

1/r Courbure en une section donnée

t Épaisseur

t Instant considéré

t0 Âge du béton au moment du chargement

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

x Profondeur de l'axe neutre

z Bras de levier des forces internes

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LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES

Le tableau 3 présente les symboles en lettres grecquesmanuscrites.

III - LES ÉTATS LIMITES

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

Une structure doit répondre à des exigences fonctionnelles. Sielle doit satisfaire uniquement une exigence de résistance, lecalcul est conduit à l’état limite ultime de résistance notéELUR. Si elle doit satisfaire uniquement des exigences decomportement en service, le calcul est conduit à l’état limitede service noté ELS.

Si les exigences sont relatives à la résistance et au compor-tement en service, il faut calculer la structure à l’ELUR puis àl’ELS. Dans ce cas, il faudra peut-être augmenter la résistancedu béton ou les dimensions. Les sections de béton et d’aciercalculées à l’ELUR sont inférieures à celles calculées à l’ELS.

Le coût d’un ouvrage calculé à l’ELU sera donc inférieur aumême ouvrage calculé à l’ELS.

États limites ultimes – Un état limite ultime concerne la sécu-rité des biens ou des personnes. Il correspond à l’atteinte dumaximum de la capacité portante de l’ouvrage avant rupturecausée par une déformation excessive :

– perte de l’équilibre statique (EQU) ;– défaillance d’un élément de structure (STR).

Exemple

Flambement, déversement, rupture d’un poteau.

États limites de service – Un état limite de service concernele fonctionnement de la structure ou de ses éléments en utili-sation normale, le confort des personnes et l’aspect de laconstruction.

Il faut donc vérifier pour un état de service courant :

– les déformations qui affectent l’aspect, le confort des utilisa-teurs ou la fonction de la structure (ainsi que le fonctionnementdes machines) ;– les déformations qui endommagent les finitions de l’ouvrage ;– les vibrations qui nuisent au confort des personnes.

C’est-à-dire :

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

L’état-limite de service peut être :

– réversible : on utilisera alors pour les calculs les combinai-sons fréquentes et quasi-permanentes ;– irréversible : on utilisera les combinaisons caractéristiques.

Il faut que la valeur de calcul soit inférieure à la valeur limitede calcul pour un service considéré.

IV - MÉTHODE DES COEFFICIENTS PARTIELS

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

Ed = γF Frep :

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

Tab. 3 – Symboles en lettres grecques manuscrites

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

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

εuk

Angle θ

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

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

σcu

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

ψ

ψ0

ψ1

ψ2

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LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES

Valeur de calcul des effets d’une action – Une action estune force appliquée à une structure. Les forces sont les effetsdes charges ou des déformations imposées à une structure.

Les actions permanentes sont des charges toujours appli-quées à la structure, comme le poids propre de l’ouvrage, lescloisons, les revêtements de sol, les poussées des terres oudes liquides pour un ouvrage enterré, etc. Les actions perma-nentes peuvent également être des déformations comme letassement différentiel des fondations, le raccourcissement dûau retrait climatique, etc.

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

Les actions variables sont les charges d’exploitation, lescharges climatiques (vent, neige), les effets dus à la tempéra-ture, les charges appliquées en cours de construction. Ellesne sont pas toujours appliquées. L’intensité des charges varia-bles varie dans le temps.

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

Sollicitations – Les sollicitations sont des efforts (effortnormal, effort tranchant, moment de flexion, moment de tor-sion) développés dans une structure par une combinaisond’actions données.

Les valeurs caractéristiques des actions sont spécifiées dansl’Eurocode 1.

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

avec :– γM = coefficient partiel ;– χd = propriété d’un matériau.

Un coefficient partiel est appliqué à la valeur de calcul selonle matériau utilisé.

1/ Coefficient partiel sur le bétonLe 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.

2/ Coefficient partiel sur l’acierLe 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.

Combinaisons d’actions – Les actions permanentes et varia-bles agissent simultanément.

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

On note :

• Gk,sup : action permanente défavorable ;

• Gk,inf : action permanente favorable ;

• Qk,1 : action variable dominante ;

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

1/ Combinaisons d’actions aux états limites ultimes• Pour situations durables et transitoiresLes combinaisons fondamentales s’écrivent :Pour la vérification des états limites d’équilibre EQU :

Pour la vérification des états limites de structure STR :

• Pour situations accidentelles ou sismiquesLes combinaisons accidentelles s’écrivent :

Les combinaisons sismiques s’écrivent :

Il faut retenir les deux principales combinaisons d’actions àl’ELUR :

– 1,35 g + 1,5 q pour déterminer la section maximale d’arma-tures ;– g + 1,5 q pour déterminer la longueur maximale de certainesarmatures et la stabilité de certains ouvrages.

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

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 aumoyen des lignes d’influence.

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

V - LES CONDITIONS D’ENVIRONNEMENT

Conditions d’expositions – Les conditions d’exposition sontles conditions physiques et chimiques auxquelles la structureest exposée, en plus des actions mécaniques.

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

Durée d’utilisation de projet – La durée d’utilisation de projetdoit être normalement spécifiée. Elle est fonction de la caté-gorie de durée d’utilisation du projet.

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

Classification structurale – Il est prévu 6 classes structu-rales, S1 à S6. La classe minimale est la classe S1. Pour lesbâtiments et les ouvrages de génie civil courants, la classe uti-lisée est S4. Leur durée de vie est de 50 ans.

Remarque

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

110 0 90 150 1501 0, , , ,,sup ,inf , , ,G G Q Qk k k i k i+ + + ψ >>∑ 1

135 100 150 1501 0, , , ,,sup ,inf , , ,G G Q Qk k k i k i+ + + ψ >>∑ 1

G G A ou Q Qk k d k i k i,sup ,inf , , , , ,+ + +( ) + >ψ ψ ψ11 21 1 2 11∑

G G A Qk k Ed i k i,sup ,inf , ,+ + + ∑ ≥ψ2 1

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

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

G G Qk k i k i,sup ,inf , ,+ + ∑ ≥ψ2 1

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LE BÉTON ARMÉ AUX EUROCODES

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

Tab. 4 – Combinaison fondamentale à l’ELUR (STR)

Charges permanentes

Charges d’exploitation Force du vent Charges de neige Action thermique

Q Fw Qs T

1,50 Si Q = Qk, 1

j ≥ 1 où 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

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

135 1001

, ,,sup ,infG Gk kj+( )>∑ 150 0 6 150 0 5 150 0 6

0 1 0 2 0 3

0

, , , , , ,, , ,

,

× × ×ψ ψ ψ

ψ

{ { {

i ppour Qk i, > 1

1 2444444 3444444

150 0 70 1

, ,,

×ψ{ 150 0 5

0 3

, ,,

×ψ{ 150 0 6

0 3

, ,,

×ψ{

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1 – Technique du béton armé

2 – La préfabrication

Réf. Internet page

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

Techniques du bâtiment : Construire en béton armé

Réf. Internet 43805

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Les procédés des composantsindustriels

ors de la construction d’un ouvrage, les entreprises ont la possibilité derecourir à la « préfabrication ». La préfabrication peut être réalisée par

l’entreprise sur le chantier, en atelier ou bien encore par des tiers. Elle peutreprésenter un gain de temps, de productivité et un coût moindre, ce qui peutse révéler très intéressant, d’autant qu’elle concerne un grand nombre d’élé-ments de construction : ces éléments peuvent être de matériaux divers (fer,terre cuite, plâtre, béton,…) et de taille très variée (entrevous de plancher, cloi-sons, voire éléments porteurs). Ces composants industriels préfabriqués fontl’objet de la première partie de cet article où ils sont listés suivant leur adapta-tion à la nature de l’ouvrage (maison individuelle, logement collectif, bâtimentindustriel ou bien encore établissement recevant du public).

Toutefois, recourir à la préfabrication est une décision complexe. Ce choiximportant doit se faire en prenant en compte plusieurs points : le mode defabrication (la préfabrication sera-t-elle industrielle ? Foraine ?), le type depréfabrication (concernera-t-elle le gros-œuvre ? Le second-œuvre ?), Les inci-dences qu’auront ses choix sur le transport ? La mise en œuvre ? Le mode deconstruction ? Toutes ces questions sont développées dans la deuxième partiede cet article. Le lecteur est invité à consulter également les articles : L'éco-nomie du projet TBA1210, La préfabrication : point de vue de l'entrepreneurTBA1215 et Préfabrication : études de cas TBA1220, pour plus de détails surces différents sujets.

1. Étendue du domaine couvert par la préfabrication....................... TBA1200 - 2I – Intérêts et inconvénients de la préfabrication ..................................... — 2II – Adaptation de la fabrication à la nature des ouvrages ...................... — 2

A. Secteur de la construction de la maison individuelle ...................... — 2B. Secteur de la construction des logements collectifs ........................ — 3C. Secteur de la construction des établissements recevant du public — 6D. Secteur des bâtiments industriels ..................................................... — 6

2. Complexité du processus de décision............................................... — 10I – Mode de fabrication............................................................................... — 10

A. Préfabrication industrielle .................................................................. — 10B. Préfabrication foraine.......................................................................... — 10

II – Type de préfabrication.......................................................................... — 11A. Choix des composants de gros œuvre.............................................. — 11B. Intégration de plusieurs fonctions ..................................................... — 11C. Mode de construction ......................................................................... — 11

III – La réglementation et ses conséquences ............................................ — 12IV – Économie du projet ............................................................................. — 13

A. Approche spécifique à chaque partenaire ........................................ — 13B. Composants du coût ........................................................................... — 13C. Variations importantes dans la structure des coûts ......................... — 16

L

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LES PROCÉDÉS DES COMPOSANTS INDUSTRIELS

1 Étendue du domaine couvert par la préfabrication

Les divers composants utilisés – La préfabrication concerneun vaste ensemble qui va de la construction des bâtiments auxouvrages d’art. Elle s’est considérablement développée etconcerne de nombreux éléments de construction :

• composants de gros œuvre incluant des éléments porteursverticaux et horizontaux ;

• composants de façades non porteuses ou porteuses ;

• composants de toiture ;

• composants industrialisés de cloisons : carreaux de plâtre,panneaux de particules ou de plaque de plâtre, cloisons sani-taires préfabriquées, cloisons diverses (métalliques, terrecuite…) ;

• composants d’équipement : gaines, cellules techniques…

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

I - INTÉRÊTS ET INCONVÉNIENTS DE LA PRÉFABRICATION

Avantages de la préfabrication – Les fabricants proposentdes composants sur catalogue qui apportent des réponsessatisfaisantes au concepteur d’ouvrage et à l’exécutant. Ontrouve sur le marché des fabrications industrielles d’élémentsde dimensions différentes :

• petites dimensions : blocs béton, poutrelles et entrevous deplancher ;

• éléments surfaciques de grandes dimensions : panneaux defaçade, dalles de plancher et, pour les cas extrêmes, les cellu-les tridimensionnelles.

Le concepteur peut avoir recours à la préfabrication car elleprésente plusieurs avantages :

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

• faire gagner du temps ;

• faire une économie sur les coûts.

L’entreprise, de son côté, recherche des solutions construc-tives et une plus grande facilité de mise en œuvre.L’utilisation de composants lui permet d’espérer des gainsimportants :

• gain de temps à la mise en œuvre ;

• 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 nécessitepar contre des moyens en matériel de levage plus importants dansle cas d’utilisation de composants de type surfacique.

Les transferts d’activité du chantier vers l’atelier sont générale-ment générateurs de gains de productivité. Mais les dernièresannées ont montré que le problème reste complexe : les sys-tèmes constructifs ont quasiment disparu au bénéfice d’unepréfabrication moins ambitieuse mais induisant plus de sou-plesse dans la conception et l’exécution.

Si beaucoup de composants actuels concernent le grosœuvre, celui-ci ne représente qu’une partie de l’ensemble ducoût de la construction (environ 40 à 45 %), et le reste con-cerne le second œuvre.

Une vraie politique de la construction doit donc viser à dimi-nuer les coûts en entreprenant des recherches sur ledéveloppement industriel de ce secteur important du marchéde la construction.

II - ADAPTATION DE LA FABRICATION À LA NATURE DES OUVRAGES

A. Secteur de la construction de la maison individuelle

Petites entreprises et artisans – En ce qui concerne la concep-tion et la réalisation de la maison individuelle (cf. Fig. 2), lescomposants proposés sur le marché sont généralement faciles àmanutentionner et ne nécessitent pas un matériel important.

Fig. 1 : Domaine varié de la préfabrication.

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LES PROCÉDÉS DES COMPOSANTS INDUSTRIELS

Les petites entreprises et les artisans représentent la majeurepartie des acteurs engagés dans le processus d’exécution dece type de projet. Les fabricants ont donc conçu à leur inten-tion des composants relativement légers et de dimensionsplutôt modestes : longrines, poutrelles de planchers, pré-linteaux…

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

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

B. Secteur de la construction des logements collectifs

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

• les prédalles en béton armé ou en béton précontraint, fré-quemment utilisées ;

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

Fig. 2 : Maison individuelle.

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LES PROCÉDÉS DES COMPOSANTS INDUSTRIELS

Ainsi, en accord avec les dispositions prévues au CCTP, lesentreprises réalisent souvent avec des composants proposéspar les fabricants :

• les balcons et garde-corps ;

• les allèges mises en œuvre après réalisation de la structureporteuse ;

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

Éléments sur catalogue – Comme dans le cas de la maisonindividuelle, les catalogues des fabricants classent leurs com-posants à partir des performances obtenues. Les élémentssur catalogue sont choisis selon leurs facilités d’exécution,

leurs critères mécaniques, thermiques, phoniques et de résis-tance au feu.

Ainsi, les prédalles peuvent être proposées par les fabricantsselon le classement suivant :

• critère de résistance mécanique :

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

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

• critère de résistance au feu (cf. Tab. 4) ;

• critère d’isolement acoustique (cf. Tab. 5).

Fig. 3 : Logements collectifs.

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L’économie du projet

ors de la construction d’un ouvrage, une entreprise peut être tentée derecourir 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 peutse 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 debien prendre en compte le projet dans sa globalité.

Dans une première partie, cet article développe la démarche qu’il faut suivrelorsque l’on veut savoir si la préfabrication est, ou non, source d’économiepour le projet (le projet étant bien sûr pris dans sa totalité). Cette démarche estillustrée par un exemple qui détaille le coût de la réalisation (déboursés secs etfrais de chantier). Les exigences des différents acteurs (architectes, fabri-cants,…) intervenant durant l’opération doivent nécessairement être prises encompte pour chaque étape de la construction : un exemple est développé dansla deuxième partie de l’article.

Le lecteur est invité à consulter également les articles : Procédé des compo-sants industriels TBA1200, La préfabrication : point de vue de l'entrepreneurTBA1215 et Préfabrication : études de cas TBA1220, pour plus de détails surces différents sujets.

1. Comment la préfabrication peut-elle véritablement participer à l’économie du projet ?........................................................................

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I – Approche de la notion de gain.............................................................. — 2II – Décomposition du coût de construction ............................................. — 2

A. Estimation du coût .............................................................................. — 2B. Évaluation des prix de cession d’un composant .............................. — 3C. Incidence sur la mise en œuvre ......................................................... — 3

III – Réalisation de planchers ..................................................................... — 3A. Comparaison des frais de chantier selon la technologie utilisée.... — 4B. Affectation des frais de chantier ........................................................ — 6

IV – Transfert des tâches du chantier à l’usine ......................................... — 6

2. Point de vue des différents acteurs................................................... — 8I – Réflexion sur la souplesse..................................................................... — 8II – Réflexion sur le type de mécanisation envisagé ................................ — 8III – Analyse de la conception des éléments spécifiques à un projet – Richesse de la composition........................................................................ — 9

A. Prise de connaissance du processus de fabrication......................... — 9B. Exemple d’intégration du processus de fabrication par le concepteur ..................................................................................... — 10C. Analyse de fabrication ........................................................................ — 10

IV – Faut-il concevoir des éléments simples spécialisés ou des composants plus complexes répondant à de multiples exigences ? .................................................................................................. — 12V – Analyse de la conception d’un composant de façade et d’un cloisonnement ................................................................................ — 13

3. Conclusion ................................................................................................ — 14I – Analyser les objectifs ............................................................................. — 14II – Décider et utiliser la préfabrication en toute connaissance de cause....................................................................................................... — 14III – En résumé............................................................................................. — 15

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L'ÉCONOMIE DU PROJET

1 Comment la préfabrication

Il s’avère impossible d’apporter une réponse simple à cette question. L’analyse a posteriori d’un nombre important de chantiers montrequ’il est nécessaire de nuancer toute conclusion que l’on pourrait être tenté d’apporter dans un sens ou dans l’autre. Plusieurs constatspeuvent être en effet observés mettant en lumière la difficulté à apporter une conclusion définitive.

I - APPROCHE DE LA NOTION DE GAIN

Champ d’action de la notion de gain – La notion de gainrecouvre plusieurs réalités : on peut espérer un gain sur lecoût résultant pour la construction, un gain sur le temps d’exé-cution et un gain sur la qualité finale de l’ouvrage. Le coûtrésultant, le temps d’exécution, la qualité finale de l’ouvragesont liés.

Étude du coût de réalisation – L’estimation du coût est doncassez complexe et ne peut être obtenue sans une étudecomplète du processus de réalisation dans sa globalité. Lecoût résultant est en effet fonction de nombreux paramètreset seule une étude comparative permet de décider entre diversmodes de réalisation.

Il faut en fait considérer le bâtiment non comme un produitunique mais comme étant constitué de parties ; l’étude portedonc sur l’assemblage de ces parties plus ou moinsindépendamment.

Le coût de réalisation d’un ouvrage est obtenu en sommantles déboursés secs et les frais de chantier :

Cr = Ds + Fc

Quant au prix de revient, il est obtenu en ajoutant au coût derevient les frais généraux

Pr = Cr + FG = Ds + Fc + FG

Le gain peut donc provenir pour la préfabrication par des gainsde productivité portant soit sur les déboursés secs (gain surle temps de mise en œuvre par exemple) soit sur les frais dechantier.

Un exemple permettra de restituer la démarche à suivre.

II - DÉCOMPOSITION DU COÛT DE CONSTRUCTION

A. Estimation du coût

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

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

Les pourcentages indiqués donnent un ordre de grandeur per-mettant de comparer la part respective correspondant àchaque poste.

Coût du béton – Le coût du béton dépend du type de liantchoisi et de la nature des granulats (cf. le paragraphe ci-dessus « coût des matériaux).

Plus généralement, lorsqu’il existe plusieurs matériaux techni-quement envisageables, il faut procéder à une comparaisonau regard des performances obtenues avec chacun. Làencore, c’est le résultat global qui importe.

Ainsi, on peut comparer le coût de différents matériaux dupoint de vue de leur résistance mécanique, de leur pouvoirabsorbant ou de leur pouvoir isolant !

Coût d’utilisation du moule – Le coût d’utilisation d’un moulepar panneau dépend du nombre de réemplois prévu. Dans lecas d’un nombre important de réemplois ou d’une utilisationpeu soigneuse, il convient d’ajouter un coût d’entretienconcernant principalement la peau de coffrage ; unmauvais état de parement peut nécessiter soit son rempla-cement (peau en contreplaqué coffrage CTBX) soit saremise en état (peau de coffrage en tôle d’acier). Àl’inverse, le choix de la nature de la peau de coffrage sefait à partir du nombre de réemplois prévu : le contreplaquécoffrage permet de 10 à 30 voir 40 réemplois selon laqualité du contreplaqué utilisé (couleur orange, brune ounoire). La tôle est généralement choisie lorsque le mouledoit être réutilisé de l’ordre d’une centaine de fois. À remar-quer que le changement du contreplaqué coûte souventmoins cher qu’une solution avec tôle d’acier et les cof-frages sont plus légers.

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

Coût du transport – Le coût du transport dépend de la dis-tance « atelier de préfabrication – chantier » et des plus oumoins grandes facilités d’accès.

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

à l’économie du projet ?peut-elle véritablement participer

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L'ÉCONOMIE DU PROJET

B. Évaluation des prix de cession d’un composant

Éléments à prendre en compte – Le concepteur qui désireévaluer l’économie qui peut résulter de l’emploi de composantspréfabriqués en lieu et place d’éléments réalisés in situ doit seréférer aux conditions réellement obtenues auprès des fabricants.L’importance du chantier, sa distance à l’usine ou au lieu de stoc-kage du revendeur, mais aussi la plus ou moins grandecomplexité du projet sont autant de facteurs qui interviennent. Leprix de cession obtenu pour la fourniture d’un composant varieselon les conditions de négoce comme en témoigne les résultatsdonnés ci-après qui font apparaître de gros écarts (cf. Fig. 2).

C. Incidence sur la mise en œuvre

Comparaison entre l’exécution traditionnelle et la préfa-brication – Le gain n’est souvent pas immédiat et seule uneétude approfondie plus globale peut conclure s’il y a eu effec-tivement gain ou non. Il faut en effet comparer l’exécution entraditionnel entièrement réalisée sur place avec des modesopératoires faisant plus ou moins appel à la préfabrication.

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

• d’une plus grande facilité de mise en œuvre ;

• au final, d’une meilleure qualité, notamment des parementsobtenus.

Elle permet alors dans ce dernier cas de limiter les tâches dereprises et finitions souvent grandes consommatrices de main-d’œuvre (balèvres, cueillis…).

L’exemple suivant propose une méthodologie facilitant le choixfinal.

III - RÉALISATION DE PLANCHERS

Le tableau 1 recense divers modes de réalisation et lescompare du point de vue des tâches successives à exécutersur place par les équipes qui en assurent la mise en œuvre.

Une autre source de gain peut provenir d’une diminution desfrais de chantier.

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

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La préfabrication : le point de vue de l’entrepreneur

our l’entrepreneur, la préfabrication peut se révéler très intéressante dansla mesure où elle permet (notamment) un gain de temps et de producti-

vité. En effet, grâce à la préfabrication, il est possible de concevoir lescomposants avant le montage in situ, ce qui a des conséquences positives surle planning du chantier. Mais l’entrepreneur doit impérativement tenir comptedes multiples contraintes que cela implique. Ces avantages et inconvénientsfont l’objet de la première partie de cet article.

La deuxième partie de cet article s’intéresse à la préparation de l’exécutionautrement dit à tous les éléments qu’il faut prendre en compte avant le débutdu chantier : étudier les délais antérieurs à la préparation, procéder à l’élabora-tion des plannings de préfabrication et de pose, faire l’étude technique quiinclut le choix des méthodes d’exécution, des modes opératoires et l’élabora-tion des plans d’exécution,… Une méthodologie est d’ailleurs proposée.

Le lecteur est invité à consulter également les articles : Procédé des compo-sants industriels TBA1200, L'économie du projet TBA1210 et Préfabrication :études de cas TBA1220, pour plus de détails sur ces différents sujets.

1. Pourquoi recourir à la préfabrication ? ............................................. TBA1215 - 2I – Avantages liés à la préfabrication......................................................... — 2II – Contraintes liées à la préfabrication.................................................... — 2

A. Notion de séquence constructive ...................................................... — 3B. Assemblages et précision dimensionnelle........................................ — 3C. Amortissement du matériel – Coût de fabrication............................ — 3D. Transport des éléments préfabriqués ............................................... — 4E. Levage et montage des pièces ........................................................... — 6F. Nécessité d’un stockage...................................................................... — 7

1. Préfabrication usine.......................................................................... — 72. Préfabrication foraine....................................................................... — 7

G. Mode de stockage............................................................................... — 7

2. Préparation de l’exécution ................................................................... — 10I – Conformité avec le dossier du marché................................................. — 10II – Prise en compte du facteur temps....................................................... — 10

A. Délais antérieurs à la fabrication ....................................................... — 10B. Élaboration des plannings de préfabrication et de pose ................. — 10

III – Étude technique – Élaboration des plans d’exécution des ouvrages (PEO) ............................................................................................................ — 11

A. Choix des méthodes d’exécution et définition des modes opéra-toires ......................................................................................................... — 11B. Méthodologie....................................................................................... — 13

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LA PRÉFABRICATION : POINT DE VUE DE L'ENTREPRENEUR

1 Pourquoi recourir à la préfabrication ?

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

I - AVANTAGES LIÉS À LA PRÉFABRICATION

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

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

• dissociation « dans l’espace » : pour les éléments préfabri-qués, une partie des opérations de construction n’est pasréalisée à leur emplacement futur sur l’ouvrage mais au pos-te de préfabrication (usine ou chantier). Il y a donc une ré-percussion 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 desintempéries ;

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

La préfabrication permet donc de s’affranchir en partie desopérations traditionnelles complexes assujetties sinon à sedérouler en un lieu et à un moment précis.

Bénéfices dus à la répétition – La répétition consiste à réa-liser un certain nombre de fois le même objet ou une mêmeséquence opératoire avec le même matériel.

Nous rappelons brièvement ces avantages :

• la répétition permet d’envisager la mécanisation : en effet ungrand nombre de réemplois permet un meilleur amortissementdu matériel ;

• la mécanisation est liée bien sûr au progrès technologique etévolue constamment ;

• la répétition permet une diminution du temps passé, mêmedans une technologie uniquement manuelle. Elle permet en ef-fet de bénéficier des effets favorables de l’apprentissage et del’accoutumance.

Simplification de la réalisation « in situ » – Le plus souventle recours à une solution par préfabrication permet de simpli-fier la réalisation sur place. Par exemple, les problèmesd’étaiement et de coffrage à grande hauteur trouvent souventune solution heureuse. La pose de poutres préfabriquées oude prédalles est ainsi couramment utilisée !

Spécialisation de la main-d’œuvre – En introduisant unerépétition dans le travail, en utilisant des coffrages outilsadaptés, en travaillant au même endroit, la préfabricationpermet d’utiliser une main-d’œuvre relativement peu qualifiéeet plus spécialisée qui travaille avec un meilleur rendement.

En résumé, la préfabrication a généralement des effetsbénéfiques :

• l’organisation est souvent meilleure ;

• le matériel est plus perfectionné ;

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

• le matériel peut être mieux amorti ;

• la productivité est supérieure ;

• le temps d’exécution est raccourci.

II - CONTRAINTES LIÉES À LA PRÉFABRICATION

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

Fig. 1 : Pourquoi utiliser les composants préfabriqués ?

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LA PRÉFABRICATION : POINT DE VUE DE L'ENTREPRENEUR

A. Notion de séquence constructive

Analyser chaque séquence – Généralement, un bâtiment estconstitué de parties d’ouvrages réalisées sur place et de com-posants industrialisés.

Chaque séquence constructive doit être analysée au regarddes problèmes d’assemblages et de compatibilité géométriquedes composants préfabriqués insérés au cours de laséquence. Ces préoccupations sont déterminantes chaquefois que l’on a à fixer les cotes de fabrication d’éléments pré-fabriqués ou à décider d’un calepinage.

La métaphore des poupées russes illustre bien les problèmesd’assemblage et la notion de séquence constructive.

Interdépendence des séquences constructives – Un desfacteurs est en effet constitué par la dépendance des diffé-rentes séquences de la construction. Ainsi, un composantposé à un stade donné du chantier va être suivi d’autresouvrages ou d’autres familles de composants dont le dimen-sionnement sera éminemment dépendant de la position detous les autres ouvrages précédemment réalisés. Il faut donctenir compte des effets de la dépendance du contenu parrapport au contenant.

L’aspect temporel de la notion de séquence implique l’ordrechronologique de pose de cet ensemble.

B. Assemblages et précision dimensionnelle

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

• les éléments préfabriqués doivent « s’adapter » aux élémentsréalisés en place ;

• les éléments doivent pouvoir être « assemblés » entre eux ;

• les produits sont conçus et fabriqués pour un nombre limitéd’emplois dans la construction.

À ce titre, il convient de les opposer aux matériaux amorphesdu type ciment, gravier, ou aux semi-produits du type : pro-filés, plaques, blocs. C’est-à-dire des matériaux ayant déjàreçu une forme mais susceptibles d’emplois multiples dansl’ouvrage.

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

Tolérances – Le problème des « tolérances » ne se posejamais de manière isolée, mais garantit la possibilité d’assem-bler divers composants entre eux, ce qui renvoie à unecoordination dimensionnelle entre corps d’état.

Les normes françaises NF P 04-101 et 103 traitent de la notiond’écart dimensionnel et de tolérance.

On rappelle ici les diverses méthodes utilisables dans la posed’un élément préfabriqué :

• Positionnement :

– pose sur tracé (écart ponctuel 1cm) ;– pose à réglage en 3 dimensions (allège…) ;– pose forcée avec autoguidage (Ex : goujon, tenons etbossages) ;– pose « touche à touche » (risque de cumul d’erreurs).

• Réglage en hauteur :

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

• Réglage de verticalité généralement réalisée par étais tirants-poussants.

Exemple

L’exemple suivant permet de détailler la mise en œuvre depoteaux préfabriqués.

Fabrication des éléments : chaque poteau présente à sa partieinférieure une broche HA12 et à sa partie supérieure un tubeen acier de diamètre 33 mm. Une douille soudée sur chaquetube reçoit une vis de réglage (cf. Fig. 3).

Mise en œuvre : une visée au niveau de chantier permet derégler la hauteur de sortie de la vis avant présentation dupoteau. Le repos de l’arase inférieure du poteau sur la tête decette vis impose donc la mise à niveau en ce point.

Le tube est rempli de mortier sans retrait puis le poteau estprésenté avec la grue au droit de son emplacement (cf. Fig. 4).

Il reste à l’équipe de pose à engager la broche dans le tubeacier du poteau du niveau inférieur. La pose est donc forcéeavec autoguidage grâce à l’ensemble « tube - broche ». Deuxétais tire-pousse permettent de régler l’aplomb. Une cale estdisposée sur la face opposée à la vis et le joint est maté aumortier sans retrait.

C. Amortissement du matériel – Coût de fabrication

Avantages de la préfabrication – Outre les facilités deréalisation qu’elle autorise (travail à grande hauteur, techno-logie difficilement utilisable sur chantier telle que laprécontrainte par fils adhérents…) ou de la qualité du produitfini (parements, arêtes…) qu’elle permet d’obtenir, la préfabri-cation est génératrice de gain sur le temps d’exécution maisaussi d’économie sur le projet sous certaines conditions.

Optimiser l’amortissement du matériel – Il faut en effetveiller à optimiser l’amortissement du matériel, ce qui s’obtienten maximisant le nombre de réemplois et donc grâce à unerotation accélérée des moules de préfabrication.

Avant toute décision, il convient de comparer, pour uneséquence donnée, les coûts :

• de sa réalisation « en place » par les moyens traditionnels ;

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

Fig. 2 : Les contraintes liées à la préfabrication.

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LA PRÉFABRICATION : POINT DE VUE DE L'ENTREPRENEUR

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

Ne pas oublier dans ce bilan chiffré :

• en cas de fabrication foraine :

– les frais d’installation de l’aire de préfabrication ;

– les frais de montage/démontage, y compris préparation duterrain et des abords ;

• en cas de sous-traitance, le coût d’acquisition des éléments li-vrés sur chantier :

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

– divers frais de location ;

– le coût de la sécurité aux différents stades.

D. Transport des éléments préfabriqués

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

Les responsables de l’étude doivent bien choisir l’itinéraire àutiliser pour le transport sur route mais aussi contrôler lesaccès sur chantier en raison des dimensions importantes desvéhicules.

Généralement, on peut escompter pour la remorque lesdimensions suivantes :

• une longueur de 7 m ;

• une hauteur de 3,50 m ;

• une largeur de 2 à 2,50 m.

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

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Préfabrication : études de cas

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 préfabricationcomme source éventuelle d’économie dans l’article : L'économie du projetTBA1210 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-préfa-briqué (§1) ;

– une étude concernant la recherche du mode constructif le plus adéquatpour un immeuble de six étages (§2) ;

– une étude concernant la recherche de la méthode d’exécution de plan-chers à dalle pleine la plus économique dans le cadre de la construction d’unimmeuble d’habitation (§3) ;

– et enfin une étude permettant de définir une préfabrication de bâtimentindustriel comportant des portiques en béton armé (§4).

Le lecteur est invité à consulter également les articles : Les matériaux consti-tutifs 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 élé-ments en compression TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140 pourplus d’informations sur le béton armé.

1. Réalisation d’un bâtiment semi-préfabriqué ................................... TBA1220 - 2I – Descriptif sommaire............................................................................... — 2II – Étude de la préfabrication .................................................................... — 2

A. Dénombrement des éléments préfabriqués .................................... — 2B. Intervention du bureau des méthodes .............................................. — 3

2. Choisir le mode constructif le plus adéquat pour un immeuble de 6 étages ................................................................................................ — 7I – Descriptif sommaire............................................................................... — 7II – Étude du mode opératoire « tout couler en place » ........................... — 7

A. Réalisation des voiles brisés (niveaux 2 et 5) ................................... — 7B. Réalisation des voiles supérieurs (niveaux 3 et 6)............................ — 7C. Conclusion .......................................................................................... — 8

III – Étude du mode opératoire avec préfabrication partielle .................. — 8IV – Étude du mode opératoire « tout préfabriquer » ............................. — 8V – Conclusion............................................................................................. — 8

3. Choisir la méthode d’exécution de planchers à dalle pleine en immeubles d’habitation la plus économique............................. — 12I – Descriptif sommaire............................................................................... — 12II – Méthodologie ........................................................................................ — 13III – Différentes options............................................................................... — 13

A. Solution « prédalles foraines » .......................................................... — 13B. Solution « tables coffrantes »............................................................. — 16C. Solution « prédalles industrielles ».................................................... — 18

IV – Bilan final et choix ............................................................................... — 18

4. Définir une préfabrication de bâtiment industriel comportant des portiques en béton armé ............................................................... — 20I – Descriptif sommaire............................................................................... — 20II – Méthode d’exécution ............................................................................ — 20III – Étude de la fabrication......................................................................... — 24

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

1 Réalisation d’un bâtiment semi-préfabriqué

I - DESCRIPTIF SOMMAIRE

Structure – Le bâtiment comportant un RC et un étage pré-sente la structure suivante :

• les façades sont porteuses et comportent un système« poteaux - linteaux » ;

• les planchers en dalle pleine sont coulés sur des prédalles ;

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

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

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

Plans – Les plans (cf. Fig. 1 et 2) montrent le principe de con-ception de la structure, chaque niveau présentant quelqueschangements mineurs (trémies, dimensions de prédalles…).

II - ÉTUDE DE LA PRÉFABRICATION

A. Dénombrement des éléments préfabriqués

Première étape de l’étude – L’étude débute par le dénom-brement des éléments à préfabriquer sur chantier et àfabriquer en usine (cf. Tab. 1 à 3).

Fig. 1 : Élément de façade.

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

B. Intervention du bureau des méthodes

Le bureau des méthodes procède alors à l’étude technique(conception des moules, analyse de fabrication) puis écono-mique en comparant diverses options pour la préfabrication(nombre de moules, thermomaturation ou non…).

L’entreprise a pris ainsi les options suivantes pour l’organisa-tion générale du chantier, après concertation avec le bureaud’études et le fabricant des poutres et prédalles.

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

Tab. 1 – Dénombrement des poteaux et linteaux en BA

Éléments de façade

RC

Type Référence Nombre

Poteaux courants Pc 20

Poteaux d’angle Pa 23

Linteaux L 8

1er étage

Poteaux courants Pc 20

Poteaux d’angle Pa 23

Linteaux L 8

Tab. 2 – Dénombrement des éléments fabriqués en usine

Poutres précontraintes

Type Référence Nombre

Haut RC Poutres précontraintes à fils

adhérents

Pp 8

Haut 1er étage Poutres précontraintes à fils

adhérents

Pp 8

Tab. 3 – Dénombrement des prédalles

Prédalles en béton armé

Référence Nombre Dimensions (en mètres)

Haut du RC 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

Haut du 1er 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

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

Réalisation des façades (préfabrication réalisée sur chan-tier) –

1/ Cadences de fabricationLes éléments de façade (poteaux et linteaux) sont fabriquéssur chantier grâce à six bancs de préfabrication réalisés àl’aide de tables de coffrage horizontales. Ces tables sont uti-lisées indifféremment pour couler poteaux et linteaux grâce àdes 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/ Délai de durcissement.Aucune thermomaturation du béton n’est prévue. Le BETexige un délai d’attente de 3 jours entre la fin du coulage d’unélément et sa pose.

3/ Cadence de pose.L’entreprise prévoit d’affecter une équipe à la mise en œuvredes préfabriqués ; cette phase comporte la manutentiondepuis le lieu de stockage, la présentation de l’élément préfa-briqué et les réglages divers nécessaires, le ferraillagecomplémentaire et le clavetage par un béton complémentairecoulé en place. Compte tenu de son effectif, cette équipe peutposer chaque journée 11 éléments.

Réalisation des planchers –

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

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

Durée des tâches – La durée des tâches est résumée autableau 4.

Étude de la planification

1/ Tâches réalisées in situÀ partir des données précédentes fournies par le bureaudes méthodes, le responsable de l’exécution peut fixer laséquence de réalisation d’un plancher grâce aux durées

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

Tab. 4 – Durée des tâches

Tâches Quantités Cadence préfabrication Durée préfabrication Cadence pose Durée pose

Éléments de

façade

RC 51 6 u/j 9 j 11 u/j 5 j

1er étage 51 6 u/j 9 j 11 u/j 5 j

Planchers

Poutres Haut RC

8 Fait en usine 1,5 j

PrédallesHaut RC

44 6 travées /j 1,5 j

PoutresHaut 1er

8 1,5 j

Prédalles Haut 1er

44 6 travées /j 1,5 j

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

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

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

La cadence de pose (11 éléments par jour) est supérieure àcelle de la préfabrication (6 éléments par jour). Ce chantiercorrespond au cas de la figure 6.

Le début de la préfabrication des éléments de façade pour leRC doit être donc déduit de la fin de leur pose, en respectantle délai de durcissement.

Il reste à compléter le planning avec les tâches de réalisationdes planchers du rez-de-chaussée mises « bout à bout » sansinterruption, puis d’enclencher en continu la pose des façadesdu 1er étage. La préfabrication des éléments de façade du1er est déduite de la fin de pose de ceux-ci.

Ce planning doit être transformé en planning calendaire. Cettetransformation est généralement avantageuse du point de vuedu durcissement du béton ; ne travaillant que 5 jours sur 7, ilest possible de gagner ainsi 2 à 3 jours sur le durcissementdes derniers éléments fabriqués.

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

3/ Évaluation du stockLe positionnement « au plus tard » de la préfabrication deséléments de façade par rapport à la pose minimise le stocksur chantier. Le stock est néanmoins important puisqu’il atteint48 éléments de façade (linteaux et poteaux) les jours 8 et 19comme le montre la courbe de stock (cf. Fig. 6).Par contre, il occasionne une interruption de 2 jours dans letravail de l’équipe « préfabrication ». Il est bien sûr possibled’organiser pour cette équipe un travail en continu en débutantla deuxième campagne de préfabrication dès la fin de la pre-mière. Dans ce cas, le stock s’élèvera à 12 éléments de plus.Ces éléments étant linéaires, leur stockage est réalisableassez facilement et nécessite relativement peu de place. Apriori, c’est la solution recommandée, sauf manque de placesur le chantier.

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

Fig. 5 : Calage de la préfabrication.

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PRÉFABRICATION : ÉTUDES DE CAS

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

Fig. 6 : Éléments de façade.

Fig. 7 : Planning d’approvisionnement.

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Les produits préfabriqués en béton

es premiers produits industriels en béton sont apparus dans la secondepartie 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 pro-duits en béton en série commencèrent à fonctionner. Au début, ellesprésentaient un caractère artisanal, disparu aujourd’hui.

De nos jours, en effet, les usines disposent de moyens de fabrication éla-borés et très automatisés, leur permettant de fournir des produits de qualitéaux caractéristiques régulières et garanties grâce à :

• un effort de normalisation et de certification intensif qui a permis decaractériser 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 dis-ponibles sont conformes à leurs besoins et aux spécifications fixées dansles textes normatifs ;

• un effort de recherche permanent visant à :– mieux connaître les techniques de fabrication des produits et, donc, àmieux les maîtriser afin d’assurer une grande régularité de la qualité desproduits,– améliorer les diverses performances du matériau béton et, en particulier,ses caractéristiques mécaniques et sa durabilité (exemple : les bétons àhautes performances BHP),– approfondir le comportement des produits en œuvre afin d’assurer les fonc-tions particulières auxquelles ils sont destinés et diminuer les coûts deconception, de construction et d’exploitation des ouvrages correspondants.

Par leur diversité, les produits en béton participent largement à la construc-tion des bâtiments et des ouvrages de génie civil où ils apportent des réponsesà des fonctions très variées.

La production totale de l’industrie du béton était, en 2005, de 31 millions detonnes 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 mil-liards d’euros. La même année, cette industrie était constituée de 708 entreprisesqui regroupent 960 usines représentant un peu plus de 19 700 salariés.

La présentation de l’ensemble des produits en béton peut se faire, parexemple, selon la fonction qu’ils assurent, ou selon leurs destinations. C’estcette seconde solution qui a été retenue ici.

1. Murs et cloisons ...................................................................................... TBA1225 - 2

1.1 Maçonneries ................................................................................................ — 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

L

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Ju

in

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LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

1Maçonneries

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

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

I - FAMILLES DE PRODUITS

L’ensemble des blocs correspond à deux familles :

– les blocs traditionnels qui font l’objet de normes euro-péennes et de compléments nationaux (plus de 95 % desproduits);– les blocs non conformes aux normes produits, et/ou dont lamise en œuvre ne relève pas de DTU, font aujourd’hui l’objetd’une procédure d’Avis technique.

Les blocs traditionnels peuvent être classés de différentesmanières :

• selon la nature du matériau constitutif :

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

• selon la structure interne définie dans l’Eurocode 6. Ce clas-sement en groupe est effectué à partir des épaisseurs de paroiset 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.

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 essaide tenue aux chocs

1 M

.1

urs et cloisons

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LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

Les dimensionnements mécaniques et au feu des maçonne-ries, selon l’Eurocode 6, se basent sur cette classification :

• selon leur destination :

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

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

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

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

• selon la partie de l’ouvrage à traiter :

– 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…) pourles parties d’ouvrage correspondantes (cf. Fig. 3) ;

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

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

Les caractéristiques des blocs traditionnels sont définies parles normes européennes et les compléments nationauxcorrespondants.

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

II - CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES

Elles sont définies par les normes :

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

Fig. 1 : Blocs apparents.

Blocs lisses

Blocs splitésBlocs striés

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LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

Fig. 2 : Blocs courants.

Fig. 3 : Exemples de blocs accessoires.

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

Blocs pleins en béton cellulaireautoclavé avec trous de préhension

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

Blocs d’angle

Blocs à feuillures

Blocs linteaux

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LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

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

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

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

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

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

Fig. 4 : Blocs à bancher.

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

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LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

Tab. 2 – Blocs à enduire en béton de granulats courants et légers

Dimensions de coordination modulaire (mm)

Dimensions de fabrication correspondantes (mm)

Blocs à maçonnerBlocs

à collerBlocs courants

Blocs à emboîtement

Blocs non parallélépipédiques

Longueur 300 294 296 Longueurs de fabrication déclarées

298

400 394 396 398

500 494 496 498

600 594 596 598

Largeur (épaisseur du bloc)

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

Hauteur 200 190 190 190 196 ou 198 2)

250 240 240 240 246 ou 248 2)

300 290 290 290 296 ou 298 2)

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.

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LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

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

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

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

Les compléments nationaux spécifient la classification desproduits et stipulent que la résistance est garantie au délai delivraison (cf. tableaux 7 et 8).

Tab. 4 – Blocs en béton cellulaire autoclavé

Dimensions maximales d’appellation et de fabrication (mm)

Longueur (L) 1 500

Largeur (l) 600

Hauteur (h) 1 000

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

Appellation des produits Classe de tolérances

Tolérances (mm)

Blocs à enduire à maçonner D1

Blocs de parement à maçonner

D2

Blocs à enduire à coller D3

Blocs à enduire et de parement à coller

D4 1)

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

L l h−+

−+

−+( )5

353

53; ;

L l h−+

−+ ±( )3

131 2; ;

L l h−+

−+ ±( )3

131 15; ; ,

L l h−+

−+ ±( )3

131 1; ;

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

Dimensions(mm)

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

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

Appellation des

produits

Blocs à enduire Blocs de parementRésistance

caractéristique1) correspondante

(Rc) MPa

Granulats légers(MVn < 1 750 kg/m3)

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

Granulats légers(MVn < 1 750 kg/m3)

Granulats courants(MVn ≥ 750 kg/m3)

Classes de résistance

Blocs creux L25 2,5

L40 B40 LP40 4,0

LP55 5,5

B60 P60 6,0

B80 P80 8,0

P120 12,0

Blocs pleins ou perforés

L35 3,5

L45 LP45 4,5

L70 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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LES PRODUITS PRÉFABRIQUÉS EN BÉTON

Les lettres B, L, P, LP signifient :

– 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.

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

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

Variations dimensionnelles entre états conventionnelsextrêmes – Le respect des limites permet de satisfaire auxdispositions du DTU 20.1, pour ce qui concerne les distancesmaximales entre joints de dilatation et la compatibilité avec lesmortiers de montage et enduits courants. Ces limites, donnéesdans les compléments nationaux respectifs, sont :

– ≤ 0,45 mm/m au délai de livraison pour des blocs en granu-lats courants et légers ;– ≤ 0,20 mm/m au délai de livraison pour des blocs en bétoncellulaire.

Absorption d’eau par capillarité – Les compléments natio-naux indiquent :

– un coefficient d’absorption d’eau, limité à 3 g/(m2s) pour lesblocs de parement destinés aux murs extérieurs ;– les valeurs du tableau 9 pour les blocs en béton cellulaireautoclavé.

Adhérence bloc/mortier de pose – La caractéristique derésistance initiale au cisaillement des mortiers de montageperformanciels, combinés à des blocs, est de (valeurs tabu-lées de la norme NF EN 998-2) :

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

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

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

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

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

Isolation acoustique directe au bruit aérien – Les caracté-ristiques acoustiques sont notamment liées à la massesurfacique des produits. Le fabricant doit déclarer la massevolumique des blocs et celle du béton des blocs.

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

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

III - CARACTÉRISTIQUES ENVIRONNEMENTALES ET SANITAIRES

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

Pour exemple, une synthèse des informations essentielles surles impacts environnementaux d’un mur, constitué de blocscreux en béton de granulats courants à deux rangées alvéo-lées (6 au total) 500 × 200 × 200 et montés à joints épais, estdonnée dans le tableau 10.

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

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

Tab. 9 – Coefficient d’absorption d’eau – blocs en béton cellulaire autoclavé

Temps d’immersion 10 mn 30 mn 90 mn

Ab (g/dm2) 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

Énergie primaire (MJ) dont : 1,74

– énergie renouvelable 0,16– énergie non renouvelable 1,58

Épuisement des ressources (kg équivalent anti- moine)

0,0006

Eau (L) 0,83

Déchets solides

Déchets valorisés (kg) 0,006

Déchets éliminés (kg) dont : 2,37

– dangereux 0,00013– non dangereux 0,009– inertes 2,36– radioactifs 0,000015

Eau

Pollution de l’eau (m3) 0,08

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Référence Internet

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3

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1 – Technique du béton armé

2 – La préfabrication

3 – Les fondations

Réf. Internet page

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

Techniques du bâtiment : Construire en béton armé

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Les différents types de fondations

es fondations sont des éléments essentiels d'une construction. Ce sontelles 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 lasuperstructure.

On trouve principalement deux types de fondation :– les fondations superficielles ;– les fondations profondes.

I – Les fondations superficielles par semelles ......................................... TBA1250 - 2II – Les fondations par radier ..................................................................... — 3

A. Définition.............................................................................................. — 3B. Les différents radiers........................................................................... — 3

1. Radier nervuré .................................................................................. — 32. Radier-dalle ....................................................................................... — 33. Radier formant cuvelage.................................................................. — 3

III – Fondations profondes et semi-profondes.......................................... — 3A. Justification des fondations profondes............................................. — 3B. Types de fondations profondes ......................................................... — 2

1. Fondations ponctuelles .................................................................... — 32. Fondations linéaires ......................................................................... — 33. Autres types, classés comme fondations spéciales ...................... — 3

C. Classification des fondations profondes ........................................... — 41. Classification des fondations profondes selon le DTU 13.2.......... — 42. Classification des fondations profondes selon le mode de fonctionnement (selon Terzaghi) ................................................... — 4

IV – Les normes........................................................................................... — 4

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Les fondations superficielles

es ouvrages de fondations correspondent aux ouvrages proprement ditsou aux parties de la structure qui transmettent les charges et sollicitations

au « sol de fondation » ou ensemble des couches aptes à supporter sans défor-mations (tassements) ni rupture (effondrement) ces sollicitations.

Les fondations superficielles sont caractérisées par leur faible profondeurd’ancrage dans le sol ; elles présentent généralement une semelle réalisée enbéton 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 TBA1265Fondationsprofondes auquel le lecteur pourra se reporter pour plus d’informations sur lesujet.

I – Présentation – Généralités .................................................................... TBA1260 - 2II – Ouvrages visés ...................................................................................... — 2III – Problématique des ouvrages de fondations et des ouvrages enterrés — 2

A. Données des problèmes..................................................................... — 21. le milieu « sol »................................................................................. — 22. La présence de l’eau tellurique (nappe phréatique) ...................... — 33. La situation de l’ouvrage.................................................................. — 44. Drainage ............................................................................................ — 45. Ouvrages enterrés ............................................................................ — 46. Environnement de l’ouvrage ........................................................... — 4

B. Fonctions à remplir et exigences ....................................................... — 41. Reprise des charges ......................................................................... — 42. Conditions de stabilité...................................................................... — 43. Nature des sollicitations................................................................... — 5

a) Sollicitations dues à la superstructure ........................................ — 5b) Sollicitations dues au sol de fondation (infrastructures) .......... — 5

4. Résistance du sol de fondation ....................................................... — 5IV – Classement des fondations................................................................. — 7V – Matériaux utilisés ................................................................................. — 8

A. Fondations ........................................................................................... — 8B. Cuvelages............................................................................................. — 8C. Ouvrages de drainage......................................................................... — 8

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES

I - PRÉSENTATION – GÉNÉRALITÉS

Les habitations individuelles ne comportent souvent que desfondations superficielles avec un vide sanitaire (non accessiblegénéralement) ou un sous-sol à usage de garage, caves oulocaux techniques (chaufferie, par exemple) ou encore undallage établi sur terre-plein.

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

Les problèmes sont souvent complexes du fait :

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

En ce qui concerne les locaux enterrés, et selon leurs exi-gences d’utilisation, des problèmes spécifiques peuventintervenir :

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

Ne sont traités ici que :

– les ouvrages de bâtiment, à l’exclusion des ouvrages degénie civil ;– les ouvrages neufs où la conception tenant compte des dif-férentes exigences définies au programme de constructionpeut intervenir au niveau du projet.

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

Les indications ne constituent que des dispositions-types per-mettant de « dégrossir » les problèmes de construction et deprédimensionner les ouvrages. Elles ne peuvent dispenser leprojeteur d’une étude spécialisée faisant appel :

– aux renseignements de base fournis par une « reconnais-sance de sol » approfondie (sondage-essais) ;– à une étude de structure fournissant les sollicitations à trans-mettre au sol de fondation.

Toute improvisation ou exploitation « non concertée » des élé-ments donnés par les fiches suivantes pourrait conduire à desdésordres ou sinistres graves et difficiles à traiter au niveaudes réparations.

Pour plus de renseignements sur les calculs de définitions etde réalisations des fondations superficielles, nous conseil-lons au lecteur de se reporter au site : http://www.techniques-ingenieur.fr/ (Article C246).

II - OUVRAGES VISÉS

Catégories de fondations – Elles se divisent en deux caté-gories principales :

– fondations superficielles ; – fondations profondes.

Une catégorie traitée séparément peut à la fois se rattacheraux fondations superficielles et aux fondations profondes : lesradiers. Ceux-ci sont à traiter en cuvelage avec des règlesspécifiques s’ils sont placés dans une nappe phréatique où ilssubissent l’effet des sous-pressions et pressions extérieures.

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

Le rôle de ces ouvrages consiste à transmettre les sollicita-tions de la structure aux fondations.

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

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

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

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

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

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

Ouvrages de drainage – Ces ouvrages sont des ouvragesenterrés, disposés en périmétrie des murs ou voiles. Ils sontdestinés à canaliser les eaux d’infiltrations afin d’éviter qu’elless’accumulent contre les ouvrages enterrés et qu’elles risquentde pénétrer à l’intérieur des locaux où d’interférer sur les pro-priétés du sol de fondations.

III - PROBLÉMATIQUE DES OUVRAGES DE FONDATIONS ET DES OUVRAGES ENTERRÉS

A. Données des problèmes

1. le milieu « sol »

Reconnaissance du sol et type de fondations – Il doit êtreparfaitement défini dans la zone de construction pour l’établis-sement du projet de fondation et le choix du mode defondation (superficiel ou profond). La reconnaissance du sol,avec sondages, essais (laboratoire ou in situ) est indispen-sable.

À partir de ces données, le géotechnicien déterminera la solu-tion optimale pour le mode de fondations.

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

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Les fondations superficielles par semelles

es ouvrages de fondations correspondent aux ouvrages proprement ditsou aux parties de la structure qui transmettent les charges et sollicitations

au « sol de fondation » ou ensemble des couches aptes à supporter sans défor-mations (tassements) ni rupture (effondrement) ces sollicitations.

Dans cet article nous présentons principalement les différents types de fonda-tions superficielles et leurs adéquations d’implantation en fonction de la naturedes sols.

I – Définition – Types .................................................................................. TBA1261 - 2A. Définition ............................................................................................. — 2B. Types ................................................................................................... — 2

II – Le projet de fondation .......................................................................... — 2A. État limite ultime de résistance.......................................................... — 2B. État limite ultime de stabilité de forme ............................................. — 4C. État limite d’équilibre statique ........................................................... — 4D. État limite de service vis-à-vis de la durabilité ................................. — 4E. État limite de service vis-à-vis des déformations ............................. — 4

1. Implantation des ouvrages .............................................................. — 5a) Sismicité et implantation des ouvrages ..................................... — 5b) Nature des sols et constructions parasismiques (paramètres d’identification des sols) ............................................ — 7c) Pour les constructions courantes ................................................ — 7d) Pour les constructions importantes ............................................ — 7

2. Interaction sol/structure ................................................................... — 73. Fondations en zone sismique ......................................................... — 7

a) Dispositions générales.................................................................. — 7F. Cas des fondations superficielles....................................................... — 11

1. Fondations en zone sismique ......................................................... — 112. Fondations par semelles ................................................................. — 113. Fondations par radier général ........................................................ — 11

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES PAR SEMELLES

I - DÉFINITION – TYPES

A. Définition

Elles constituent l’ouvrage ou partie d’ouvrage qui assure dansdes conditions satisfaisantes la transmission des charges ver-ticales principalement ainsi que des sollicitations d’unestructure (ou superstructure) au sol résistant. Ce dernier, dansle cas de fondations superficielles, doit se trouver à faible pro-fondeur, c’est-à-dire au voisinage immédiat des partiesenterrées de l’ouvrage. Sinon, il y aura lieu de le rechercheren profondeur (fondations profondes ou semi-profondes).

La classification basée sur le rapport reste valable, même

si la fondation « superficielle » est faite en fond de fouille. C’estle cas des ouvrages présentant une importante infrastructureenterrée (parcs autos à grand nombre de niveaux).

Dans ce cas, c’est le rapport avec D’ la valeur de l’encas-

trement de la semelle de fondation dans le fond de fouille.

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

Les sols courants superficiels n’acceptent que des contraintesde l’ordre de quelques bars alors que les maçonneries quitransmettent les charges aux fondations peuvent supporterdes contraintes bien supérieures. Seuls les sols rocheuxhomogènes peuvent accepter des contraintes élevées. Danstous les cas, un organe intermédiaire de répartition estnécessaire.

B. Types

On distingue :

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

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

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

• Les fondations surfaciques :

– radiers simples ou généraux ; – dallages sur terre-plein.

Ce dernier type fait l’objet de développement séparé, le modede calcul et les sollicitations étant différentes des deux pre-miers types.

On peut distinguer également :

– les fondations sous charges centrées (cas général) ;– les fondations sous charges excentrées (ou soumises à desmoments de flexion).

II - LE PROJET DE FONDATION

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

• La reconnaissance du sol de fondation au droit de l’ouvrageou à proximité immédiate.

• La considération des ouvrages ou constructions voisins exis-tants qui ne doivent pas subir de modifications ou perturbationscompte tenu de la construction nouvelle.

• La détermination de la capacité portante du sol :

– en fonction de sa résistance à la rupture ;– compte tenu de ses déformations ou tassements.

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

– état limite de résistance ;– état limite de stabilité de forme ;– état limite d’équilibre statique (glissement, cercles de glisse-ment) ;– 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

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

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

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

p q

avec

q = contrainte de calcul pour le sol.

Dans le cas de combinaison d’actions pour lesquelles l’actiondu vent est l’action variable de base, l’inégalité satisfaitedevient :

p 1,33 q

Dd

D’d

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES PAR SEMELLES

La justification des dimensions de la fondation et de sesarmatures vis-à-vis des règles du béton armé correspondà l’application de la méthode des bielles ou de touteméthode de la résistance des matériaux dans la mesure oula forme des pièces le permet (méthode des moments ouméthode de la poutre). Dans ce dernier cas, les règles debéton armé en vigueur (règles BAEL91) s’appliquentintégralement.

Application

La réaction du sol est souvent considérée comme uniformesous les fondations, axée sur la résultante générale et carac-térisée par la valeur p.

On peut également considérer une variation linéaire de lacontrainte (répartition triangulaire ou trapézoïdale) (cf. Fig 1,2 et 3).

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

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

R

B

P

e

B = Largeur fondationR = Résultante générale des forcese = ExcentricitéP = Réaction du sol (répartie)

Contrainte maxi : PM

P6B

si e >43

= PM

PM

B

eR

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Les fondations par semelles filantes

es ouvrages de fondations correspondent aux ouvrages proprement ditsou aux parties de la structure qui transmettent les charges et sollicitations

au « sol de fondation » ou ensemble des couches aptes à supporter sans défor-mations (tassements) ni rupture (effondrement) ces sollicitations.

Il s’agit de fondations qui doivent assurer la répartition sur le sol de la chargeverticale transmise à la base d’un mur. Cette charge est supposée uniformé-ment répartie dans le sens de la longueur du mur.

I – Semelles filantes sous murs ou voiles ................................................. TBA1262 - 2A. Dispositions minimales ...................................................................... — 2B. Dimensionnement............................................................................... — 2

II – Dispositions pratiques et particulières ................................................ — 6A. Dispositions pratiques ........................................................................ — 6

1. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles ................ — 62. Armatures en attente pour voile vertical en béton banché armé — 6

B. Dispositions particulières ................................................................... — 61. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : joint de dilatation, retrait et charge excentrée .................................. — 62. Disposition limite : semelle excentrée présentant un seul débord (construction en limite d’emprise). .................................................... — 93. Disposition du DTU 13.12 ............................................................... — 94. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : solutions pour semelles filantes excentrées ..................................... — 105. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : présence d’un joint de dilatation-retrait. ........................................... — 126. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : cas d’un joint de rupture (ou joint de tassement).............................. — 127. Fondations par semelles filantes sous murs ou voiles : renforcement des semelles filantes au droit des ouvertures ........... — 13

C. Semelles filantes sous poteaux.......................................................... — 151. Définition........................................................................................... — 152. Coupe-type........................................................................................ — 153. Semelles filantes sous poteaux : semelles de grande largeur .... — 18

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Les fondations par semeLLes fiLantes

I - SEMELLES FILANTES SOUS MURS OU VOILES

A. Dispositions minimales

Les semelles continues ou filantes sont des fondations super-ficielles selon la définition du DTU 13.11. Elles sont établiessous des murs ou voiles porteurs en maçonnerie d’élémentsou de béton banché armé ou non. Elles correspondent à descharges réparties généralement de manière uniforme dans lahauteur des superstructures ou dans celle des sous-sols.

Il est à noter que :

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

Il doit être protégé contre le retrait, la dessiccation et l’actionde la pluie par un béton de propreté (épaisseur 0,04 m) ouun film de polyéthylène armé. Cette protection doit être réa-lisée à l’avancement des fouilles.

B. Dimensionnement

Définitions – Une semelle filante sous murs ou voiles estcaractérisée par sa forme et ses dimensions. Le dimension-nement dépend également de la présence ou non d’armaturestransversales.

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

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

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

Ces valeurs complémentaires sont souvent négligées du faitque la valeur de la largeur de la semelle (B) déterminée ci-après est arrondie à 0,05 m près.

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

Fig. 1 : Semelle filante sous mur ou voile.

D

B

H

Q'

e

Q'

Q

Semelle de répartition (béton armé)

Déblai du terrain pour fouille (poids Q’)

Béton de propreté pour protection du fond de fouilleet purge éventuelle du terrain

Talus de déblai

Mur ou voile transmettant la charge Q/ml

4

3

45

1

5

2

4

3

1

2

D ≥ 0,50 mB ≥ 0,40 me ≥ 0,04 mH = hauteur de la semelle

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Les fondations par semeLLes fiLantes

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

q = contrainte de calcul admise pour le sol de fondation.

La surface de répartition de la semelle sur le sol est faite pourune longueur L de 1 m, soit :

S = BL = / q

Si S est exprimé en m2

B et L en mètres (L = 1,00 m) S = B

Q est exprimé en T/ml

q est exprimé en T/m2

Application

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

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

Pour que la transmission s’effectue sans contrainte de tractionà la base de la semelle, la condition suivante doit être res-pectée :

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

Dans ces conditions, les armatures transversales ne sont pasnécessaires dans la mesure où le sol est homogène et s’iln’existe pas de vides en profondeur (fontis de carrière ou videsde dissolution, etc.).

Les armatures longitudinales de chaînage sont déterminéespar le DTU 13.12, soit une section de :

– 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 basedu mur pour les semelles en gros béton (cf. Fig. 4).

Pour les semelles de grande longueur, prévoir un recouvre-ment minimum des armatures de 35Ø. Dans les angles desemelles, la continuité du chaînage doit être assurée(cf. Fig. 5).

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

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

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

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

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

Q

Q

b

d

h

B

q

h ≥ 2d

d = B – b

2

B = Largeur de la semelle

d = Débord latéral de la semelle par rapport au mur

h = Hauteur de la semelle

Q = Charge superstructure

b = Épaisseur du mur ou voile porteur

1 Armatures longitudinales

q = Contrainte du sol

1

Q

d

h

B

b d

α

débord d = B – b 2

h ≥ Tgα

= 0,75

= 1,33dd d

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Les fondations par semeLLes fiLantes

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

2e cas : semelles en béton armé (cas quasi général)

Cette disposition de dimensionnement des semelles filantesen béton armé permet de réduire la hauteur totale ht de lasemelle armée transversalement.

La transmission de la charge Q du mur ou du voile s’effectuepar des bielles inclinées qui développent du fait de leur faibleinclinaison sur l’horizontale des efforts de traction (F) absorbéspar une armature placée en partie inférieure de la semelle. Lahauteur utile (h = ht – e) de celle-ci est déterminée par unecondition de rigidité permettant de considérer une répartitionuniforme des pressions sur le sol sur la largeur (B) de lasemelle (cf. Fig. 7).

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

Fig. 5 : Dispositions des armatures longitudinales (chaînage) dans les angles d’une semelle filante.

d a d

a’

H

Mur de hauteur suffisante (1 niveau minimum)

Chaînage BA2Mur (h ≥ 1 niveau) 1

Armatures chaînage4

Semelle gros béton coulé à pleine fouille(sans béton de propreté) non armé

3

3

1

2

4

a'

35 Ø

R

35 Ø

35 Ø

a'

a' ad0

d0

X

X

A

1A

1C

1B

R = Zone de recouvrement (aciers de grande longeur)

Aciers filants1C1B1A

(éviter d’aligner les recouvrements dans un même plan vertical)

Renforts d’anglesA

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Les fondations par radiers et cuvelages

es radiers sont des fondations superficielles. Lorsqu’ils sont établis dans unenappe phréatique (ouvrages immergés), ils sont associés à un ouvrage de

cuvelage qui assure l’étanchéité, c’est-à-dire la protection contre la pénétrationdes eaux sous pression de la nappe extérieure. Les radiers peuvent aussi n’êtreque des ouvrages de fondation établis dans des terrains à faible portance.

Lorsque le sol de fondation est de faible capacité portante, les dimensionsdes semelles isolées sous poteaux, voiles, éléments de voiles ou murs, devien-nent très importantes et, à la limite, telles qu’il ne reste pratiquement plusd’intervalles entre elles.

I – Fondations par radiers........................................................................... TBA1263 - 2II – Fondations par cuvelage ...................................................................... — 3

A. Cuvelage avec revêtement d’imperméabilisation............................ — 3B. Cuvelage à structure relativement étanche....................................... — 3

III – Fondations par radiers plans............................................................... — 3A. Radier simple à dalle épaisse établi sous une construction à con-tour simplifié ............................................................................................ — 3B. Radier à dalle nervurée ou raidie par poutre .................................... — 3

IV – Radiers généraux ................................................................................. — 8A. 1er cas : radiers épais .......................................................................... — 8B. 2e cas : radiers nervurés simples ....................................................... — 9C. 3e cas : radier nervuré......................................................................... — 11

V – Fondations par radiers courbes........................................................... — 11A. Radier simple voûté ............................................................................ — 11B. Radiers voûtés multiples .................................................................... — 11

1. Radier voûté multiple à travées égales........................................... — 112. Radier voûté multiple à travées inégales (cf. Fig. 16).................... — 113. Radier à voûtes d’arêtes................................................................... — 12

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LES FONDATIONS PAR RADIERS ET CUVELAGES

I - FONDATIONS PAR RADIERS

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

Une méthode rapide et simple permet de déterminer le typede solution adéquat pour une fondation de bâtiment, superfi-ciel ou profond.

Soit :

la charge totale transmise au sol par les différentes élémentsporteurs de la structure (poteaux, voiles, murs).

S0(m2) = A B, l’emprise de la construction, A et B étant lesdimensions principales q (t/m2) = la contrainte admissible dusol.

La surface minimale totale d’assise des fondations s’exprimepar :

Trois cas peuvent se présenter :

1/ S0 > S : la solution par semelles est possible ;

2/ S0 S : la solution par radier pourra être envisagée (sousréserve d’une condition complémentaire) ;

3/ S0 < S : la solution par fondations superficielles n’est pas pos-sible. On devra recourir à une solution profonde (pieux ou puits).

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

La condition précédente 2/ correspond à une répartition uni-forme des pressions du sol (réactions), ce qui entraîne lacondition suivante : « Le centre de gravité de l’aire du radierdoit coïncider avec le point de passage de la résultante desforces ». En fait, cette coïncidence doit s’effectuer dans unezone voisine du centre de gravité. Par ailleurs, la répartitionuniforme des pressions entraîne que le radier et les infrastruc-tures présentent une rigidité généralement obtenue par laprésence de voiles extérieurs et intérieurs.

Remarque

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

P = (∑p) = p1 + p2 + p3 = ʌ Pn

S(m2) = P(t)

q( t )m2

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

h hm

h'

q Ai

AS

h = Hauteur semellehm = Hauteur moyenneeh' =Épaisseur radier

AS = Armatures principales: lits supérieursS = Armatures chapeaux: lits inférieurs

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LES FONDATIONS PAR RADIERS ET CUVELAGES

En effet, les semelles isolées sont calculées avec laméthode des bielles et sont caractérisées par une épaisseurmoyenne de l’ordre de la moitié de la hauteur totale, avecseulement une nappe inférieure d’armatures. En revanche,les radiers sont calculés comme des planchers renverséssoumis aux réactions du sol et sont constitués par une dalled’épaisseur constante comportant une nappe d’armatureinférieure et une nappe d’armatures supérieures. Si lesépaisseurs « béton » sont comparables, les quantitésd’acier sont beaucoup plus importantes du fait de l’intensitédes réactions du sol.

Exemple

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

Lorsque les semelles isolées sont dimensionnées de tellesorte qu’elles sont pratiquement jointives et si l’on tient comptedes interférences possibles de la répartition des pressions enprofondeur, la solution « radier » général peut paraîtreintéressante.

Dans tous les cas, à charges égales transmises sur le mêmesol pour une capacité portante donnée, la solution « radier »sera une solution chère. Toutefois, cette solution devras’imposer si le radier doit jouer le rôle d’un cuvelage étanche.Par ailleurs, le radier constituera généralement pour un solhomogène, et à condition de respecter la condition « subsi-diaire », une solution plus sûre au niveau des tassementsdifférentiels. Cette solution présente, en outre, lorsque la dalleépaisse est utilisée, l’avantage de supprimer le dallage qui,dans la solution « semelles isolées », constitue un ouvragerapporté.

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

II - FONDATIONS PAR CUVELAGE

Un ouvrage immergé, c’est la partie réputée située sous leniveau de l’eau, celle-ci pouvant résulter d’une nappe phréa-tique, d’une crue, de ruissellements ou d’infiltrations. Cettepartie comprend la périphérie directement soumise à l’actionde l’eau dite enveloppe, les parties intérieures adjacentes àcette périphérie et liée avec elle, dites retours, pour lesquellesdes dispositions particulières doivent être prises, et enfin lesautres parties intérieures (cf. Fig. 2).

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

A. Cuvelage avec revêtement d’imperméabilisation

Le revêtement d’imperméabilisation constitue un écran inté-rieur adhérent à son support, pouvant assurer seul l’étanchéitémais ne résistant pas à une fissure appréciable du support.

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

B. Cuvelage à structure relativement étanche

Ce cuvelage ne comporte pas de revêtement et il est de cefait admis un léger passage d’eau éventuellement récupérée,défini par les valeurs suivantes :

– pour l’enveloppe dans son ensemble : moyenne annuelle0,5 litre/m2/jour, moyenne hebdomadaire 1 litre/m2/jour ;– pour toute portion d’enveloppe de 10 m2 constituant un rec-tangle 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 estréalisée par un revêtement plastique, élastoplastique ou élas-tique appliqué à l’extérieur de la structure résistante auxpoussées de l’eau. Ce revêtement n’est pas nécessairementadhérent à la structure résistante. C’est la pression hydrosta-tique qui l’applique sur cette dernière. Ce revêtement doitpouvoir s’adapter aux légères déformations ou fissurations desouvrages qui lui sont accolés ou qui l’enserrent (cf. Fig. 4).

III - FONDATIONS PAR RADIERS PLANS

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

La dalle radier reporte sur le sol les charges transmises parles murs périmétriques et son poids propre (cf. Fig. 5).

Elle est calculée comme une dalle épaisse, selon les condi-tions 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 auxmurs (effet « console ») ;– en tenant compte des liaisons d’appuis (appuis simples dansle cas de maçonnerie d’éléments et appuis encastrés ou semi-encastrés dans le cas de voiles BA).

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

Les armatures sont donc placées en nappe supérieure de ladalle radier.

Dans le calcul, la valeur des réactions d’appuis est diminuéedu poids propre de la dalle radier.

Lorsque les charges des murs porteurs principaux ne sont pasidentiques, le radier peut être prolongé par des débords exté-rieurs de manière à recentrer la charge totale.

B. Radier à dalle nervurée ou raidie par poutre

Lorsque les dimensions et les dispositions de l’ouvrage àfonder par radier sont importantes, la dalle radier peut êtreappuyée sur plusieurs files d’appui et fonctionne en dalle surappuis continus.

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

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

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Les fondations profondes

es fondations profondes se distinguent des fondations superficielles parleur profondeur d’ancrage dans le sol. Elles sont dites « élancées » et ne

présentent généralement pas de semelles, à la différence des fondationssuperficielles. Les fondations profondes peuvent être des pieux (réalisés méca-niquement), des barrettes (pieux forés de section allongée ou composite) oudes puits (creusés à la main). On les nomme tous « pieux ».

Après avoir donné quelques définitions et rappelé les mécanismes de trans-mission de la charge de la fondation au terrain (§1), cet article donne laclassification des pieux, les principes d’exécution, les critères de choix, lesavantages et inconvénients des différents types de pieux (en bois, en métal, enbéton armé, pieux battus moulés, forés, micropieux, puits,…) (§2). La détermi-nation de la contrainte de rupture et celle du frottement latéral unitaire à partirdes essais au pressiomètre Menard sont détaillées aux paragraphes 3 et 4. Lesparagraphes 5 et 6 sont consacrés au dimensionnement des fondations pro-fondes sous différents types de chargement et à la justification d’une fondationprofonde soumise à un effort axial. Enfin, un exemple est donné en find’article.

Le lecteur pourra également consulter les articles : Rôle des fondationsTBA1250 et Les fondations superficielles TBA1260 pour plus de détails sur cessujets ainsi que les articles : Les matériaux constitutifs du béton arméTBA1105, Les granulats courants pour béton TBA1110, Les granulats légersTBA1112, Les bases de calcul du béton armé TBA1120, L'adhérence béton-acier TBA1125, Les éléments en traction TBA1130, Les éléments en compres-sion TBA1132, Le béton armé aux Eurocodes TBA1140, consacrés au bétonarmé.

1. Définitions et mécanismes ................................................................... TBA1265 - 2

2. Principaux types de pieux..................................................................... — 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

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LES FONDATIONS PROFONDES

1 Définitions et mécanismes

I - DÉFINITION D’UN PIEU

Une fondation élancée – Un pieu est une fondation élancéequi reporte les charges Q de la structure sur des couches deterrain de caractéristiques mécaniques suffisantes pour éviterla rupture du sol et limiter les déplacements à des valeurs trèsfaibles. Le mot « pieu » désigne aussi bien les pieux, les puitset les barrettes.

On désigne par pieu, une fondation profonde réalisée mécanique-ment, et par puits, une fondation profonde creusée à la main sousla protection d’un blindage. Une barrette est un pieu foré desection allongée ou composite (en T ou en croix, par exemple).

La tête, la pointe, le fût – Les trois parties principales d’unpieu sont la tête, la pointe, et le fût compris entre la tête et lapointe. La longueur d’ancrage h est la longueur de pénétrationdu pieu, de diamètre B, dans les couches de terrainrésistantes (cf. Fig. 1).

D’un point de vue mécanique, on distingue la longueur D dupieu de la hauteur d’encastrement mécanique De

(cf. fascicule 62, titre V).

II - MÉCANISMES DE TRANSMISSION DE LA CHARGE DU PIEU AU TERRAIN

Essai de chargement – Il est important de connaîtrecomment le pieu transmet la charge Q qu’il reçoit de la supers-tructure au terrain. L’essai de chargement instrumentérenseigne parfaitement sur les transferts de charge le long dufût par frottement et sous la pointe par enfoncement. Pour sim-plifier, on supposera un pieu de longueur D, dans un solhomogène soumis à un chargement vertical de compressionaxiale Q (cf. Fig. 2).

III - ESSAI DE CHARGEMENT STATIQUE D’UN PIEU SOUS COMPRESSION AXIALE

Essai à charges contrôlées – L’essai est exécuté suivant lanorme NF 94-150-1 (décembre 1999) – Sols : reconnaissanceet 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 encharge 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.

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

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LES FONDATIONS PROFONDES

60 minutes, on enregistre le déplacement de la tête du pieu enmaintenant la charge rigoureusement constante.

Cet essai permet de déterminer la charge limite convention-nelle Qle et la charge critique de fluage conventionnelle Qce.

nécessaires au dimensionnement du pieu.

On trace la courbe du déplacement vertical en fonction duchargement en reportant le déplacement à la fin de chaquepalier (60 min) en fonction de la charge (cf. Fig. 3).

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

Courbe effort-déplacement du pieu – Elle donne la chargelimite QLE ou Qu qui correspond à la rupture du sol pour ungrand déplacement. Cette charge limite est équilibrée par :

– la résistance de pointe qu (cf. Fig. 2) qui donne la chargelimite de pointe Qpu = qu. A (A : section droite de la pointe dupieu) ;– le frottement latéral qs (cf. Fig. 2) qui s’exerce sur la surfacelatérale du pieu, qui donne la charge limite de frottementlatéral Qsu = qs.π.B.D.

QLE = Qu = Qpu + Qsu

Pour atteindre cette charge limite QLE, le pieu s’est déplacé entête de st et en pointe de sp. Le déplacement de la tête estsupérieur au déplacement de la pointe, puisque le pieu n’étantpas infiniment rigide, il a subi une déformation propre.

Fluage – Pour chaque palier Qn, on calcule la pente αn dusegment de la courbe de déplacement en fonction du loga-rithme décimal du temps entre 30 et 60 minutes (cf. Fig. 4).La charge critique de fluage est déterminée par la constructioneffectuée sur la courbe de αn en fonction de la charge au palier

Qn (cf. Fig. 5). Cette courbe permet de distinguer une premièrepartie pour laquelle le fluage est faible et peut être supportépar la structure portée par la fondation profonde et uneseconde partie où le fluage du sol entraînerait desdéplacements incompatibles avec le bon fonctionnement de lastructure.

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

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

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

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

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LES FONDATIONS PROFONDES

IV - MOBILISATION DE LA RÉSISTANCE DE POINTE qu

Longueur d’ancrage – On ne mobilise complètement la résis-tance de pointe d’un pieu que si la longueur d’ancrage estsuffisante.

Cette longueur d’ancrage critique, ou profondeur critique Dc,nécessaire à la mobilisation de qu est préconisée par la normeDTU 13-2 (P 11-212 de septembre 1992 – Travaux de bâti-ment – Travaux de fondations profondes pour le bâtiment) :

– pour une seule couche de sol Dc = 6B avec un minimum de3 m ;– pour un sol multicouche pour lequel la contrainte effectiveσv’ due au poids des terrains au-dessus de la couched’ancrage est au moins égale à 100 kPa (environ 7 à 10 m deterrain) Dc = 3B avec un minimum de 1,5 m ; c’est la règle clas-sique des trois diamètres d’ancrage du pieu dans la coucherésistante.

V - DÉFINITIONS DU FROTTEMENT LATÉRAL POSITIF ET NÉGATIF

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

Frottement latéral négatif – En revanche, si le sol se déplaceplus vite que le pieu (terrain médiocre qui se tasse sous dessurcharges appliquées au niveau de la surface du sol), le solen se tassant entraîne le pieu vers le bas et lui applique unfrottement négatif fn qui le surcharge. Le frottement négatif seproduit généralement dans des sols fins saturés qui se con-solident avec le temps. La figure 8 représente la position dupieu et du sol à l’instant de la mise en place des charges per-manentes sur le sol par l’intermédiaire d’un dallage, parexemple. La figure 9 indique le tassement du sol, plusieurs

années après, qui a entraîné le pieu et a généré un frottementnégatif dans le terrain compressible.

En résumé, dans ce cas, dans la partie du sol compressiblepour laquelle le sol se tasse plus vite que le pieu, le frottementest négatif ; dans la partie résistante du sol, c’est au contrairele pieu qui se déplace plus vite que le sol, et le frottement estpositif. Le frottement positif et la résistance de pointe devrontdonc équilibrer le frottement négatif et la charge Q transmisepar la superstructure (non représentée sur les figures 8 et 9).

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

Fig. 6 : Définitions de la profondeur critique.

Fig. 7 : Mécanisme du frottement latéral positif.

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LES FONDATIONS PROFONDES

Fig. 8 : Positions initiales du pieu et du sol à la mise en place des charges q. Fig. 9 : Positions finales du pieu et du sol après consolidation du sol compressible.

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