Initiation au béton armé

Détermination de ferraillage complet d’une poutre en flexion simple (à l’état limite ultime)

1.1. Introduction et historique

Le béton armé correspond à un mariage judicieux de matériaux aux caractéristiques complémentaires : l’acier pour sa capacité à résister aux contraintes de traction et le béton pour sa capacité à résister à la compression. Le béton étant lui-même un mélange intelligent de granulats, de ciment et d’eau. Le ciment et l’acier résultent quant à eux de processus de fabrication spécifiques.

Les méthodes de composition de béton permettant d’obtenir les performances voulues sont très élaborés. Néanmoins pour donner des ordres de grandeur disons que la « recette » pour obtenir 1 m3 de béton « courant » consiste à malaxer environ 1200 kg de graviers, 600 kg de sable, 400 kg de ciment et 200 litres d’eau.

Cela permet d’espérer, à 28 jours d’âge du béton, une résistance à la compression de l’ordre de 30 MPa. Actuellement les bétons courants contrôlés atteignent régulièrement 25 à 40 MPa, les bétons à haute performance (BHP) 50 à 100 MPa voire plus. La résistance à la traction des bétons courants est de 8 à 12 fois plus faible et la rupture d’une pièce sollicitée est brutale. Le béton est un matériau fragile et peu résistant à la traction (comme la pierre).

La pierre comme le béton ayant une très faible résistance à la traction ne permet pas de résoudre facilement le problème du franchissement qui pose la question de la résistance aux efforts internes de traction. Les voûtes ou les arcs sont une réponse à ce problème car leur forme permet de n’avoir que de la compression dans le matériau (reste néanmoins à résoudre la question des poussées horizontales en pied). Le bois et l’acier résistent aux efforts de compression et de traction. Mais pour que le béton résiste aussi il faut l’armer ou le précontraindre.
On trouvera ci-après un bref historique du béton armé…

La découverte du ciment

Le mélange de Chaux, d’argile, de sable et d’eau est très ancien. Les Égyptiens l’utilisaient déjà 2600 ans av. J.-C. Vers le Ier siècle, les Romains perfectionnèrent ce « liant » en y ajoutant de la terre volcanique de Pouzzole, ce qui lui permettait de prendre sous l’eau, ou en y ajoutant de la tuile broyée (tuileau), ce qui améliorait la prise et le durcissement. Un des premiers grands ouvrages en béton est le Panthéon de Rome, construit sous Adrien en 128 ap.J-C avec une coupole hémisphérique de 43,20 m de diamètre à base de béton de pouzzolane.

Pourtant, la découverte du ciment est attribuée à Louis Vicat, jeune ingénieur de l’école nationale des ponts et chaussées. En 1818, il fut le premier au monde à fabriquer, de manière artificielle et contrôlée, des chaux hydrauliques dont il détermina les composants ainsi que leur proportion. La région Grenobloise est au début du 20°siècle un hau t lieu de production de ciment avec une cinquantaine de cimenteries autour de Grenoble. Pendant l’année 1908, Jules Bied, directeur du
laboratoire de la société Pavin de Lafarge, découvre le Ciment Fondu©, fabriqué à partir de calcaire et de bauxite, alors qu’il était à la recherche d’un liant hydraulique qui ne soit attaqué ni par l’eau de mer ni par les eaux sulfatées.

Le 19° siècle. Béton moulé et pierres factices de c iment moulé Le béton de ciment est apparu en architecture grâce aux bétons moulés et aux pierres factices, imitation des pierres de taille coulées en béton ; souvent du béton de ciment prompt naturel.

La pratique du moulage débuta au début du XIXe siècle dans les régions où l’on connaissait déjà le banchage du pisé et grâce à la rapidité de prise du ciment prompt naturel (dit aussi ciment romain).

François Cointeraux faisait déjà des moulages à Lyon et Grenoble à la fin du XVIIIe siècle. François Coignet fut un des plus importants promoteur du béton moulé. Industriel lyonnais, il bâtit son usine de Saint-Denis (Paris) en 1855 en béton-pisé qu’il breveta.

La pierre factice eut un véritable succès dans la région de Grenoble, grâce aux ciments prompts naturels à partir des années 1840 (Ciment de la Porte de France par Dumolard et Viallet, Ciment d’Uriol par Berthelot et Ciment de la Pérelle par la société Vicat ; aujourd’hui, seuls La Porte de France et la Pérelle, propriétés de Vicat, produisent du ciment prompt naturel en Europe) . On moulait tout, canalisation d’égouts, vases, statues, balustrades, pierres d’angles, de claveaux, corniches, modillons, etc. Cette pratique s’est répandue ensuite dans de nombreuses grandes villes d’Europe. Les villes du nord de l’Italie ont aussi utilisé le ciment moulé, grâce au prompt importé de Grenoble.

Grenoble est non seulement le pays de la « houille blanche » mais aussi celui de l’ « or gris » : La Casamaures vers 1855 et La Tour Perret 1925 en témoignent. En Isère, on bâtissait au 19°s de nombreuses maisons et surtout des églises avec des éléments architectoniques de ciment moulé comme l’église de Cessieu qui date de 1850, celle de Champier de 1853 ou encore l’église Saint-Bruno de Voiron (1857-1871), Saint- Bruno de Grenoble (1869-1875) qui sont entièrement en pierres factices de ciment prompt moulé.

L’apparition des armatures avec le mortier armé

L’armature de métal dans les mortiers provient des techniques de moulage en sculpture et fut utilisé d’abord par des jardiniers expérimentateurs. Joseph- Louis Lambot à Miraval fabriqua en 1845 des caisses pour orangers et réservoirs avec du fil de fer et du mortier, en 1849 une barque armée par un quadrillage de barres de fer, et enfin en 1855 il posa un brevet : le « ferciment », une combinaison de fer et de mortier pour les constructions navales et les caisses à fleur. Il construisit un canot en 1855 qui passa inaperçu à l’Exposition universelle de Paris.

Joseph Monier déposa en 1867, à Paris, une demande pour « un système de caisses-bassins mobiles en fer et ciment applicables à l’horticulture ». Il réalisa un premier pont bi-poutre de 13,80m de portée à Chazelet. Après un long oubli, il fallut attendre l’extrême fin du XIXe siècle pour qu’en France, Hennebique, fasse à nouveau, usage du béton armé, lui donnant un véritable départ.

L’invention du béton armé

En Angleterre, des entrepreneurs comme Alexander Payne et Thaddeus Hyatt, tentèrent dans les années 1870 d’apprivoiser les armatures dans les bétons mais furent désavoués par des contradicteurs et quelques infortunes. Aux États-Unis les armatures métalliques du béton furent dévoilées par William E. Ward et exploitées par Ernest Leslie Ransome, avec ses fers Ransome dans les années 1880.

Il fallut attendre la maîtrise du béton armé, les réflexions techniques d’ingénieurs pour voir apparaître un véritable intérêt cimentier. François Hennebique abandonna ainsi son métier d’entrepreneur en 1892 et devint ingénieur consultant. Il eut un succès considérable. Créa une société de franchises en construction et bâtit des dizaines de milliers d’édifices.

Il publia le magazine Béton armé à partir de 1898 pour faire connaître ses travaux qui permirent à la charpenterie monolithe d’éliminer le ciment armé trop mince. Edmond Coignet et Napoléon de Tedesco ont communiqué, les premiers en 1894, un mode de calcul rationnel des ouvrages en béton aggloméré et en ciment armé.

Les armatures, en fer, puis en acier, revêtent des formes variées : barres cylindriques lis ses, mais aussi carrées, torsadées, crénelées, crantées, cannelées… On a aussi utilisé‚ des chaînes, des feuillards, des profilés de construction métallique. Les moules (ou « coffrages ») seront longtemps en bois, en fonte parfois et aujourd’hui couramment métalliques pour les ouvrages répétitifs, voire en carton (poteaux circulaires). Ils permettent une liberté de forme et un coût par rapport à la pierre qui expliquent le fort développement du béton armé au début du siècle.

Le 20° siècle…

La circulaire du 20 octobre 1906 pose les premiers fondements techniques du béton armé, admis à figurer parmi les matériaux de construction classiques. De son côté, Charles Rabut, faisant ses premiers travaux théoriques sur le béton armé à l’École des Ponts et Chaussées, l’avait intégré à son programme dès 1897 (c’est le premier cours de béton armé), alors qu’il n’existait encore aucun manuel traitant du sujet. Il fait ainsi découvrir cette technique à de jeunes ingénieurs, dont Eugène Freyssinet, le père du béton précontraint. Son brevet est déposé en 1929. Mais, c’est seulement après la Seconde Guerre mondiale que la précontrainte commence à se développer. On doit aussi à Eugène Freyssinet l’idée de la vibration du béton.

A partir des années 30, Pier Luigi Nervi conçoit des ouvrages en exploitant un procédé constructif de son cru fondé sur l’utilisation du ferro-ciment, reprise perfectionnée du système Monnier. Le principe : des doubles rangées d’arcs se coupent à angle droit (nervures). L’allègement de structure ainsi obtenu permet de développer des portées considérables. Tout comme Freyssinet, Albert Caquot a été sensibilisé au béton armé. Il construisit en 1920 le premier pont en bow-string (arc à tirants) à Aulnoye et lance surtout le premier pont à haubans à Pierrelatte en 1952.

Au cours du 20ème siècle les applications vont se multiplier : ouvrages d’art, réservoirs, châteaux d’eau, tribunes, soutènements, planchers industriels,… Aujourd’hui beaucoup de ces ouvrages se dégradent, d’où une réflexion et des recherches sur le matériau et sur la conception des ouvrages (durabilité, résistance au gel, enrobage…)

Fin du 20° siècle, la recherche de hautes performances La fin des années 80 voit l’arrivée du Béton à Hautes Performances (BHP), d’une résistance à la compression supérieure à 50 MPa. Allié à la précontrainte, ce matériau révolutionne la construction des ouvrages d’art qui deviennent plus fins, plus élancés et plus durables. Au début des années 90, Bouygues, Lafarge et Rhodia explorent le domaine de l’ultra-haute résistance, bien au-delà des 150
MPa.

Historique des règles définissant la conception et le calcul des ouvrages :
• Circulaire du Ministère des Travaux Publics de 1906 (qq pages)
• Circulaire Ministérielle de 1934 (30 pages)
• Règles BA 45 (90 pages)
• Règles BA 60
• Circulaire Ministérielle de 1964
• Règles CC BA 68
• Règles BAEL 80 modifiées en 83
• Règles BAEL 91 (145 pages)
• Eurocode 2 « Règles unifiées communes pour les structures en béton »