4-Structure en beton armé et en beton précontraint

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ARCHITECTURE ET D’URBANISMEExpose sur les: REALISER PAR : SEKOUR LYES MERZOUK TAHAR ATELIER : 4eme ANNEE Gr :04 CHARGER D’atelier Mr Baghli Mr Mezoued BETON ARME • INTRODUCTION • DÉFINITION • HISTORIQUE • LES CARACTÉRISTIQUES • COMPORTEMENT AU FEU BÉTON PRÉCONTRAINT •INTRODUCTION. •DÉFINITION. •PROCESSUS DE CONCEPTION. • CONDITION DE BON FONCTIONNEMENT DU BÉTON PRÉCONTRAINT. • LES AVANTAGES • LES INCONVÉNIENTS • LES ÉLÉMENTS D’OSSATURES • CONCLUSION • BIBLIOGRAPHIE •LES PROCÈDES DE MISE EN ŒUVRE DU BÉTON PRÉCONTRAINT. •LES ÉLÉMENTS DE LA PRÉCONTRAINTE. •L’UTILISATION. INTRODUCTION Depuis son invention vers 1850, il est devenu l’un des matériaux de construction les plus utilisés. Les architectes l’ont considéré comme le symbole de l’architecture moderne dont les conquêtes ont été faites en son nom. Il rend possibles les différentes solutions techniques : l’ossature, le porte-à-faux, les coques et voiles minces. Chacun de ces types de structure a donné naissance à un « parti » d’architecture, auquel peuvent être associés de grands bâtisseurs, comme Le Corbusier, Frank Lloyd Wright, Piero Luigi Nervi, Oscar Niemeyer, qui ont su traduire ces innovations techniques en un vocabulaire architectural cohérent. 1-Structure en béton armé Musée de Gumma (Japon). Architecte : Arata Isozaki. définition C’est une association hétérogène de deux matériaux: le béton et l’acier. Les caractéristiques du béton armé sont différentes de celles de ses composants, bien que ceux-ci conservent leurs qualités propres. Le béton qui résiste bien a la compression et mal a la traction assure la transmission des efforts de compression et l’acier la reprise des efforts de traction. C’est l’adhérence entre le béton et l’acier qui permet cette association, rendue possible par l’existence de coefficients de dilatation voisins. Aperçus historique LE BÉTON ARMÉ a été inventé par JOSEPH MONIER au environs de 1850. Monnier a mis au point une poutre, un escalier, un réservoir en béton armé. En 1900, le premier immeuble en béton armé est édifié à Paris par François Hennebique. Les bases techniques étant précisées, les premiers architectes qui utilisent le béton armé d’une façon complète sont les frères Perret dans l’immeuble de la rue Franklin, à Paris (1903) et, à la même époque, Tony Garnier dans son projet de ville industrielle. . En 1912, la grande coupole de la salle du Centenaire à Breslau, édifiée par Max Berg, atteint soixante-trois mètres de diamètre. Cette structure audacieuse et expressive est l’une des premières qui aient été réalisées en béton armé, avec les immenses hangars paraboliques d’Orly (Freyssinet). Dès 1920, l’histoire du béton armé et celle de l’architecture moderne coïncident, et le béton arme continu de nous éblouir a travers les exploits de grand architecte notamment OSCAR NIEMEYER Hangar de l’aérodrome d’Orbetello, en Toscane (Italie), réalisé en 1940 par PIER Luigi Nervi (18911979). Le Palais des sports de Rome, réalisé en 1958-1960 par PIER Luigi Nervi. La construction la plus simple qui puisse être édifiée en béton armé est formée de poteaux et de poutres. Cette solution peut être également réalisée en profilés d’acier. Mais l’ossature de béton armé qui résiste à la corrosion était moins coûteuse (au moins en Europe). De plus, elle ouvrait aux architectes un vaste domaine de recherche en permettant le « plan libre ». La construction traditionnelle de pierre est constituée de murs porteurs et de planchers dont les solives reposent à intervalles réguliers sur ces murs. Le béton armé va permettre de supprimer les murs porteurs ; les planchers en « dalles » portés sur une ossature de poteaux et de poutres orthogonales. Un dessin de l’ingénieur François Hennebique, en 1892, établit le principe technique de ces ossatures. On voit les conséquences formelles d’un tel mode de construction : dès le début du siècle, les architectes ont à leur disposition une structure monolithe, c’est-à-dire d’un seul tenant, dans laquelle tout l’édifice est déjà « construit », sans qu’un seul mur ait été édifié. Exemple d’une structure en béton arme a portique COMPOSITION DU BETON ARME ARMATURE ( ACIER) + BETON BETON ARME Qu’est ce que le béton? Pierre artificielle obtenue du mélange Liant + agrégats (ciment+eau) (gravier+sable) Éléments provenant de la destruction naturelle ou artificielle des roches + eau Composé de: La chaux La silice L’alumine Du fer Veiller à ce qu’elle ne contienne qu’une quantité négligeable de: matières organiques déchets industriels sulfate acides L’armature Les aciers utilisés pour le béton armé sont: Les ronds lisses. Les barres à haute adhérence. Les fils à haute adhérence. Les treillis soudés. Les diamètres les plus employés sont en mm: 5 Ŕ 6 Ŕ 8 Ŕ 10 Ŕ 12 Ŕ 14 Ŕ 16 Ŕ 20 Ŕ 25 -32 Ŕ 40 Ŕ 50. Phases d’exécution du béton armé Le béton armé s’exécute généralement en quatre phases: 1- Le ferraillage: 2- Le coffrage: Il peut être en bois ou métallique 3- le malaxage du béton: 1 m3 de béton contient: Ciment: …………………………………350kg Sable: Diamètre max 3mm ………400 litres Gravier : 8/15 Ŕ 15/25 ………………..400 litres Eau : ……………………………………. 175 litres un bon malaxage du béton permet d’obtenir un béton homogène, il nous permet aussi d’atteindre a de très haute valeurs de résistance . Il existent des appareils qui assurent le malaxage du béton (bétonnière, malaxeurs..) 4- Le coulage du béton: - Le décoffrage: Les caractéristiques 1.PHYSIQUE : Le cœfficient de dilatation du béton et celui de l’acier sont voisins 2. CHIMIQUE : l'adhérence : La transmission des efforts entre le béton et les aciers d’armature s’effectue grâce au phénomène d’adhérence. Chaque unité de surface située sur le périmètre de la pièce d’armature permet le passage d’une certaine quantité d’effort. 3-LES CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES LA COMPRESSION : le béton comme la pierre qu'il était censé remplacer à ses débuts possède une bonne résistance à la compression ; La réaction chimique qui permet au béton de faire prise est lente : à peine 50% de la Résistance Mécanique finale au bout de 7 jours. La valeur prise comme référence dans les calculs de résistance est celle obtenue à 28 jours (80% de la résistance finale). Il est possible de modifier (accélérer ou, au contraire, retarder) la vitesse de prise en incorporant au béton frais des adjuvants (additifs) Les résistances mécaniques en compressions obtenues classiquement sont de l'ordre de: La charge applique - bétonnage sur chantier : 25 à 35 MPA - bétonnage soigné en usine (préfabrication): 40 à 60 MPA Poteau en BA - Béton Hautes Performances : jusqu'à 200 MPA - en laboratoire (béton a très hauts performances) : de 500 a 2000 MPA La réaction du sol Adjuvants: Les principaux adjuvants sont les suivants : 1. Fluidifiants 2. Réducteurs d'eau - Plastifiant 3. Accélérateurs de prise 4. Accélérateurs de durcissement 5. Retardateurs de prise 6. Entraîneurs d'air 7. Hydrofuges de masse 8. ……………….Etc. LA TRACTION : Le béton possède une résistance à la traction. Celle-ci est faible en regard de sa résistance à la compression. On la chiffre par comparaison avec la résistance à la compression Ftj (MPa) = 0,06 Fc28 +0,6 Pour un béton de Cette faible Fc28 = 25 MPa Ft28 # 2,1 MPa. amène à placer des armatures valeur longitudinales dans toutes les pièces soumises à une traction pour reconstituer une section capable de travailler en traction. Poutre en BA LE CISAILLEMENT : Le béton possède une résistance au cisaillement. Celle-ci est très faible par rapport a sa résistance à la compression. Cette faible valeur amène à placer des cadres d’acier dans toutes les sections soumises à un cisaillement avec des espacements entre eux disposés selon la valeur de l’effort de cisaillement appliqué dans ces sections afin qu’elles puissent bien travailler au cisaillement . Charge Les efforts de cisaillement LA FLEXION : La flexion est un phénomène complexe. Elle génère un moment dit "de flexion" à l'intérieur d’un élément d’ossature COMPORTEMENT AU FEU : - C'est une sujétion fondamentale de tout type de construction. Chaque ossature doit offrir une stabilité au feu fixée par la réglementation (1/2 h, 1 h, 2 h). Ce degré de stabilité est destiné à permettre aux occupants de quitter les lieux avant l'effondrement. - La ruine du béton armé soumis au feu intervient principalement par la disparition de la résistance des aciers lors de l'élévation de température. - Pour maintenir les aciers "au frais" le temps nécessaire, on les éloigne du parement de la pièce en béton en augmentant la valeur de l’enrobage. - La loi de diffusion de la température dans le béton est connue et on sait calculer à quelle distance il faut placer l'armature afin de la conserver en bon état durant le délai de stabilité exigé. En général, cette distance varie de 2,5 cm pour une stabilité ½ h à 4 cm pour une stabilité 2 h. Cela peut amener à augmenter la taille d'une pièce pour en garder la capacité mécanique tout en assurant la résistance au feu. LES AVANTAGES: 1. Une souplesse de mise en œuvre : la mise en place du béton par coulage permet d’obtenir les formes choisies sans assemblage compliqué et sans discontinuité. 2. la résistance aux agents extérieurs: matériau monolithique reconstitué, résistant bien aux effets extérieurs, le béton assure la protection des aciers contre la corrosion, pour autant que l’enrobage des armature soit d’au moins de 2 cm pour la structure a l’abri des intempéries, 3 cm pour des surfaces coffrées ( face supérieure) exposées aux intempéries. 3. la résistance aux séismes: en raison de son monolithisme et de la qualité des assemblage, le béton armé résiste bien aux efforts sismiques. 4. l’isolation acoustique: sa densité élevée entraîne affaiblissement des bruits émis par une source extérieure. un bon LES INCONVÉNIENTS: - La mise en œuvre: la mise en place est relativement coûteuse en raison de la nécessité de coffrer préalablement; le façonnage des armatures est long. - L’hétérogénéité: c’est un matériau hétérogène qui exige une attention aux choix et aux quantités des composants, et une vibration lors du coulage. - Le poids: la densité du béton et de l’ordre de 2.5 t/m3 rendant les ouvrages lourds; le poids propre est souvent prépondérant par rapport aux surcharges. - La conductibilité thermique: c’est un mauvais isolant thermique; il doit être doublé pour évité les déperditions thermique importantes DETAIL PAROI EXTERNE D’UNE PISCINE Portique support de canalisations Support de réservoir LES ÉLÉMENTS D’OSSATURE: L'ossature d'un ouvrage est l'ensemble des éléments de construction assurant sa stabilité en regard de toutes les sollicitations possibles. Cet ensemble s'appelle également la structure de l'ouvrage. Les principaux éléments constitutifs de la structure sont : - Les fondations - Les planchers - Les murs - Les poutres - Les poteaux ( piliers) - Les éléments spécifiques de stabilité latérale (éléments de contreventement). Fondation Ferraillage d’une poutre Assemblage d’une fondation, d’un poteaux et d’une poutre La CASA BATTLO à Barcelone (1905) par ANTONIO GAUDI qui utilisa les possibilités plastiques et décoratives Offertes par le béton armé coupole de 65m de diamètre reposant sur quatre arcs La cathédrale de Brasília, la nouvelle capitale fédérale du Brésil, réalisée par l’architecte brésilien Oscar Niemeyer. La cathédrale Sainte-Marie réalisée à l’occasion des jeux Olympiques de 1964, par l’architecte japonais Kenzo Tang, Tokyo, Japon. STRUCTURE EN BETON ARME Résidence Esméralda - Reims 1998 Façade principale en chantier 2-Structure en béton précontraint Introduction Pour un certain nombre de structures, l'homme a depuis longtemps fait appel à l'utilisation du principe de la précontrainte d'une manière implicite. En effet, il a souvent possédé des notions instinctives qui l'ont amené à produire de la précontrainte. Définition L’application du concept de précontrainte au béton conduit à modifier artificiellement les contraintes que subit une section d’une poutre, afin qu’il n’y subsiste plus de contraintes de traction. Pré contraindre une section en béton consiste donc à la soumettre, préalablement à sa mise en charge, à des contraintes de compression permanentes distribuées de manière à s’opposer aux contraintes de traction provoquées par les charges. Cela est obtenu, en général, par l’action d’armatures de précontrainte tendues à leurs extrémités par des vérins, reportant l’effort de traction créé dans ces armatures sur les abouts de l’élément en béton durci. Des organes d’ancrage assurent la permanence de l’effort de compression ainsi introduit dans le béton. Processus de conception menant E. Freyssinet à la précontrainte Les travaux et recherches d'E. Freyssinet sont initialement basés sur le béton armé. Dans ses articles E. Freyssinet a souligné l'inconvénient majeur se résumant aux éventuels cas des fissurations de ce matériau. Face à ce problème qu'il fallait au plus vite résoudre la solution a été trouvée lors de la réparation de la flèche du pont de « Veurdre ». E. Freyssinet prévoit donc, au problème de l'association acier béton, une solution unique : utiliser des "contraintes préalables". Mais le manque de connaissance des déformations différées du béton s'oppose à l'utilisation de la précontrainte. Un retour à l'analyse du comportement du béton armé était nécessaire. En effet, la réalisation du pont de Plougastel offre à E. Freyssinet l'occasion de déterminer les déformations différées du béton. Par conséquent, E. Freyssinet obtient des résultats satisfaisants pour mettre le béton dans un état de précontrainte permettant entre autre d'éviter toutes fissurations. Nous représentons le processus de conception menant à la précontrainte d'E. Freyssinet par le schéma suivant : La condition au bon fonctionnement du principe de la précontrainte : -La condition nécessaire au bon fonctionnement du principe de la précontrainte est que le matériau soit capable de résister aux précontraintes induites. Il faut aussi que la contrainte préalablement appliquée ne soit pas inférieure à la contrainte des charges. - En poursuivant notre étude, nous avons essayé de donner des réponses logiques à quelques interrogations. A quel moment peut-on dire qu'un câble est précontraint ? Peut-on parler de précontrainte d'un réseau de câbles ? Deux cas peuvent se présenter selon la disposition des câbles : 1er CAS Dans le cas d'un unique câble dans une direction : l'état de précontrainte existe si le câble a été mis en place au moyen d'une action qui le mettrait en pré tension. 2em CAS Dans le cas d'un réseau de câbles bi directionnels la condition géométrique maintenant le système en équilibre n'est pas suffisante pour sa rigidification. A cet effet, la précontrainte intervient en vue de remédier à cet aléa. Dès lors, plusieurs moyens sont utilisés pour que le réseau de câbles soit dans un état de précontrainte permettant de supporter les actions extérieures. LES PROCEDES DE MIS EN ŒUVRE DU BETON PRECONTRAINT La précontrainte d’un élément en béton peut s’effectuer par post-tension, par pré-tension ou par compression directe. LES PROCEDES PAR POST-TENSION : la précontrainte est obtenue par l’action d’armatures, disposées dans des conduits vides, mises en tension postérieurement au coulage du béton et après que celui-ci a acquis une résistance suffisante lui permettant d’être mis en compression. Après mise en tension, les conduits sont injectés sous pression avec du mortier de ciment afin de protéger les torons, fils ou barres en acier contre toute corrosion. Ce mode de précontrainte est utilisé dans tous les grands ouvrages et, de façon générale, lorsque les forces à mettre en jeu sont importantes. LES PROCEDES PAR PRE-TENSION : les torons ou les fils d’acier de précontrainte sont mis en tension préalablement au coulage du béton dans les coffrages. Les armatures sont tendues en prenant appui sur des culées fixes spécialement construites à cet effet. Après coulage et durcissement du béton, les armatures sont libérées des culées. Elles tendent à se raccourcir et mettent donc en compression l’élément en béton, l’effort de traction des armatures étant transmis au béton par adhérence. Ce procédé est employé essentiellement pour la construction industrielle en grande série d’éléments préfabriqués standardisés, tels que les poutrelles, les prédalles de bâtiment ou les traverses de chemin de fer. POTRELLES PREFABRIQUEES MONTAGE DES PREDALLES LES PROCEDES PAR COMPRESSION (externe): Au moyen de vérins prenant appui sur des culées fixes. C’est encore Eugène Freyssinet qui, le premier, a mis en œuvre ce mode de précontrainte. Il a créé, pour cela, les vérins plats, outils extrêmement puissants d’un faible coût. Ce mode de précontrainte, par la nécessité de culées qu’il impose, n’a que des applications limitées. Il a été utilisé pour la construction de pistes d’aviation et de routes. LES ELEMENTS DE LA PRECONTRAINTE : Les armatures de la précontrainte sont constituées de : LES CABLES D’ACIER : Les armatures de précontrainte sont constituées par des torons, des fils ou des barres en acier à haute limite élastique, disposés à l’intérieur de gaines ou de tubes métalliques ou plastiques, les conduits. Ces aciers ont des résistances à la rupture de l’ordre de 1 800 à 2 000 MPA. Ils sont principalement employés sous forme de torons de 13 et 15 mm de diamètre et de fils lisses ou crantés de 5 à 12 mm de diamètre. Ces câbles sont classés en deux groupes : les câbles à fils parallèles et les câbles à torons qui peuvent être eux-mêmes parallèles ou torsadés. Câble a fils parallèles Câble a 7 torons parallèles LES GAINES: Ces gaines sont généralement réalisées en feuillard métallique ondulé (pour obtenir une meilleure rigidité) mais dans certains cas les câbles peuvent être placés dans des tubes d’acier. Même dans des gaines plastiques. Gaine du type feuillard métallique ondulé agrafé en spirale L’UTILISATION : Le béton précontraint est utilisé dans les structures fortement sollicitées telles que les ponts à moyenne et à grande portée, les réservoirs de plus de 1 500 m3, les réservoirs à hydrocarbures et à gaz liquéfiés, dont certains ont des capacités unitaires de 80000 m3, les enceintes de réacteurs nucléaires ou les plates-formes offshore. CONCLUSION LE BÉTON ARME possède de multiples caractéristiques permettant de faciliter son utilisation dans la construction du bâtiment ,et il présente des structure assez riche en terme de système constructifs tout en utilisant ses capacités plastique et décoratifs qui peuvent exprimer des langages architecturaux très varie. AVEC LA PRÉCONTRAINTE, les données du problème de conception sont fondamentalement changées. A la solidité et à la lourdeur, se substituent la rigidité et la légèreté, car l'équilibre n'est définitivement plus recherché dans le système gravitationnel établi entre les forces de poids et les forces dues à la résistance du sol, puisque que le poids n'intervient plus en tant qu'élément d'assemblage. Enfin, la précontrainte a donné lieu à des recherches architecturales et structurales ouvrant sur d'autres systèmes constructifs modifiant l'expression et les langages architecturaux.