Support de cours Béton précontraint

AVANT – PROPOS

Le document qui suit est le support de cours de Béton Précontraint dispensé à 2IE. L’objectif de ce cours est d’initier les apprenants à la démarche de calcul des ouvrages en béton précontraint. Ce support est structuré de la façon suivante :

• Les 2 premiers chapitres portent sur la présentation du béton précontrainte et la règlementation en vigueur. Nous présenterons les technologies de la précontrainte, l’Eurocode 2 et son application à la précontrainte.
• Les 3 autres chapitres présentent les méthodes de calcul d’ouvrages en béton précontraint.

Ce cours étant une initiation, il est centré sur les structures isostatiques et n’abordera pas les cas des structures hyperstatiques.

Le cours de béton armé et celui de calcul des structures sont des pré-requis indispensables à une bonne compréhension de ce cours. Cependant, comme le dit si bien le « père » de la précontrainte E.FREYSSINET (voir page de garde), entre ces deux bétons, il n’y a aucune frontière. Alors pas
d’amalgame !!!

Les apprenants sont également invités à consulter l’EN 1990 (Eurocode 0) et l’EN 1991 (Eurocode 1) pour les ce qui est des actions et de leurs détermination.

BIBLIOGRAPHIE

1. THONIER H, Conception et calcul des ouvrages en béton précontraint, Presses ENPC, 2003
2. Eurocode 2, Partie 1-1 et Partie 2, édition Eyrolles, 2005
3. CALGARO J. A. et CORTADE J, Application de l’Eurocode 2 : Calcul des bâtiments en béton, Presses de l’ENPC, 2ème édition, 1999
4. Quelques sites internets :

CHAPITRE 1 : PRÉSENTATION DU BETON PRÉCONTRAINTES ET DES TECHNOLOGIES DE LA PRECONTRAINTE

1 – PRESENTATION

1.1. DEFINITIONS ET PRINCIPES

Le béton précontraint (B.P.) est né du raisonnement suivant : le béton est aujourd’hui le matériau de construction le plus économique. Il résiste bien à la compression, mais peu et surtout de façon aléatoire à la traction. Il faut donc construire en béton mais en évitant que ce matériau soit trop tendu.

Pour cela, il faut le comprimer de façon artificielle et en permanence dans les zones où les charges extérieures développent des tractions, de façon qu’au total, le béton reste comprimé (ou assez peu tendu pour ne pas risquer de se fissurer) et donc résistant à tout cas de charge.

L’effort de compression volontairement développé à cet effet est appelé : effort de précontrainte (ou simplement : la précontrainte).

Le remède ne doit pas pécher par excès : la compression totale du béton doit rester inférieure à une valeur raisonnable de façon à éviter tout risque de fissuration longitudinale des éléments précontraints (alors que les tractions développent généralement des fissures transversales).

Un ouvrage en béton est dit en béton précontraint, quand il est soumis à un système d’efforts créés artificiellement pour engendrer des contraintes permanentes qui, composées avec les contraintes dues aux charges extérieures, donnent des contraintes totales comprises entre les limites que le béton peut supporter indéfiniment en toute sécurité.

La philosophie ainsi exposée est celle de la précontrainte totale. La précontrainte totale d’un ouvrage ne peut être réalisée que pour des charges appartenant à un domaine limité, supposé parfaitement connu à l’avance.

Si ce domaine inclut des charges rarement atteintes dans la réalité, les principes précédents peuvent entraîner un surdimensionnement de la précontrainte, conduisant à faire travailler la matière dans des conditions peu rationnelles sous l’effet des charges permanentes ou quasi-permanentes.

C’est pourquoi s’est développée la notion de précontrainte partielle : la décompression du béton n’y est interdite que sous l’effet des charges permanentes ou quasi-permanentes.

Sous l’effet de charges plus agressives, on admet que des fissures puissent se former (comme en béton armé) à condition que leur ouverture demeure suffisamment limitée pour :

• Qu’elles soient réversibles et se referment donc sous charges permanentes ou quasi-permanentes,
• Que les risques de corrosion et de fatigue des armatures soient négligeables,

Dans tous les cas, la valeur minimale de la précontrainte résulte de la valeur plancher imposée à la contrainte normale du béton :

• sous l’effet des cas de charges les plus agressifs lorsqu’on est en précontrainte totale,
• sous l’effet des seules charges permanentes ou quasi-permanentes lorsqu’on est en précontrainte partielle.

1.2. CONSEQUENCES DE LA PRECONTRAINTE

1.2.1. Avantages du béton précontraint

Le béton peut être tendu, mais dans la limite de la non-fissuration. Il y a donc une économie d’armatures passives importante, notamment dans le cas de situations préjudiciables et très préjudiciables. Les pièces sont plus fines.

Exemple : Poutre en BA : h = l / 15 Poutre BP : h = l / 30 (h, l : hauteur et portée de la poutre)

1.2.2. Inconvénients

Il y a risque de rupture à vide par excès de compression. Il faut donc être très vigilant lors de la phase de réalisation (peu chargée) et il faut justifier toutes les étapes. Les délais sont plus importants (temps de maturité du béton) et des traitements thermiques sont parfois nécessaires.

2- Technologie de la précontrainte

La mise en œuvre de la précontrainte nécessite l’utilisation de matériel spécifique de mise en tension et de blocage des armatures qui font l’objet de divers brevets.

Ces différents procédés peuvent se classer en deux principales catégories :

• La précontrainte par pré-tension ;
• La précontrainte par post-tension.

2.1. PRECONTRAINTE PAR PRE-TENSION

On entend par pré-tension, la mise en tension des armatures avant le coulage du béton. Cela suppose que l’on doit tendre les aciers en s’appuyant, soit sur le coffrage lui-même, soit sur des culées ancrées dans le sol.

Ce procédé peut être réalisé en usine ou sur chantier. La méthode suit généralement la procédure suivante :

• Préparation des moules (nettoyage, mise en place d’huile de décoffrage,…),
• Déroulement des armatures (fils adhérents ou torons) et blocage aux extrémités,
• Mise en place des armatures passives pour reprendre les efforts de traction,
• Mise en tension des fils ou torons par des vérins situés à une des extrémités
• Coulage du béton, lissage et vibration par vibration extérieure,
• Etuvage ou chauffage du béton pour accélérer son durcissement,
• Après un durcissement jugé suffisant (par calcul et essais antérieurs), détension et découpage des fils,
• Manutention et stockage des éléments en prenant soin de ne pas les retourner.

La pré-tension s’accommode mal d’un tracé de câbles ou de fils adhérents non rectilignes. L’excentricité y est donc constante. Cela limite l’usage de ce procédé. Il est toutefois possible, en utilisant des déviateurs, de constituer un tracé comportant trois segments rectilignes continus, mieux adaptés pour les sollicitations futures.

2.2. PRECONTRAINTE PAR POST-TENSION

A l’opposé, ce procédé suppose le coulage du béton avant la mise en tension des armatures de précontrainte. On distingue deux variantes : la postension interne et la post-tension externe. Nous décrivons ci-dessous, le cas courant de post-tension par câbles et gaines, réalisé sur le chantier :

Cas de la précontrainte par post-tension interne

• Mise en place du coffrage,
• Mise en place des armatures passives et les chaises support des gaines,
• Mise en place des gaines et fixation solides sur la cage d’armature,
• Mise en place des plaques d’appui et frettage adjacent aux extrémités des gaines,
• Coulage du béton,
• Pendant le durcissement, enfilage des câbles,
• Après un durcissement jugé suffisant (par calcul et essais antérieurs), mise en place des plaques d’ancrages et des clavettes de blocage des torons dans le vérin,
• Mise en tension d’un seul côté pour les câbles courts et des deux côtés pour les câbles longs.
• Injection d’un coulis (ou graisse minérale) afin de protéger les câbles.

Cas de la précontrainte par post-tension externe

On coule le béton à température ambiante ou légèrement chauffé par calorifugeage.

Les gaines sont placées à l’extérieur du béton (dans la zone intérieure du caisson) et dans la position finale de l’ouvrage.

On glisse les câbles non adhérents dans les gaines.

Après un délai jugé suffisant, on effectue les mises en tension des câbles à des périodes et intervalles fonction du projet et des méthodes d’exécution de l’ouvrage. Le blocage se fait par différents systèmes de cales sur une zone de béton fretté.

On injecte un coulis de béton (micro béton) ou de la graisse minérale.

2.3. MATERIELS DE PRECONTRAINTE

Les matériels de précontrainte par câbles regroupent :

2.3.1. Les câbles et les barres de précontrainte

Les câbles présentent une certaine souplesse : ils peuvent être livrés enroulés sur des tourets. Ils sont utilisés pour toutes les longueurs.

Sous l’appellation de câbles, on désigne à la fois :

• les fils de section circulaire, d’où l’appellation 12 φ 7, pour un câble constitué de 12 fils de diamètre 7 mm chacun,
• les torons constitués par des brins torsadés, caractérisés par leur diamètre et désignés par la lettre T ; 12T13.

Les barres sont rigides et utilisées pour des courtes longueurs. Leur emploi est assez limité et concerne principalement les phases provisoires d’attache ou d’encastrement.

Chaque brevet de précontrainte utilise tout ou partie des câbles disponibles sur le marché : on trouve des φ7, φ8 ; T13, T15 pouvant être utilisés seuls en monofils ou monotorons, en pré-tension notamment.

Les multifils ou multitorons servent à la post-tension :

• Système FREYSSINET : 12φ7, 12φ8 ; 6T13, 12T13, 12T15
• Système B.B.R, CIPEC : 9φ7, 14φ7, 18φ 7, 22φ7, 30φ7, 54φ7, 84φ7 ; etc.

2.3.2. Les gaines

Les gaines sont noyées dans le béton précontraint par post-tension, selon le tracé de chaque câble. Elles peuvent être rigides si le tracé est rectiligne ou presque, ou souples.

Pour permettre une parfaite adhérence avec le béton qui les entoure et avec le coulis de ciment qui comble le volume laissé par le câble sous tension, les gaines sont, de préférence, métalliques : tubes et feuillards ondulés souples.

Les gaines sont reliées, par des manchons aux dispositifs d’ancrages situés à chacune de leur extrémité. Les gaines constituent un coffrage perdu, rendu nécessaire pour la mise en place du câble.

2.3.3. Les dispositifs d’ancrage

Ils servent à bloquer le câble sous tension :

• Ancrage actif, si le câble y est préalablement mis en tension,
• Ancrage passif, si le câble y est seulement bloqué.

Ancrages actifs et passifs sont le plus souvent de conception identique surtout lorsqu’ils sont accessibles de l’extérieur. Mais certains ancrages passifs noyés à l’intérieur du béton sont particuliers, avec bouclage du câble dans la masse du béton.

Les ancrages accessibles comportent de l’intérieur vers l’extérieur :

• une ou plusieurs frettes d’acier pour renforcer le béton,
• le manchon assurant la liaison avec la gaine,
• la partie métallique femelle de l’ancrage scellée dans le béton,
• la plaque d’appui du vérin de mise en tension,
• la partie métallique mâle de l’ancrage, remplacée dans certains brevets par une tête d’ancrage s’appuyant sur la plaque.

L’ensemble de l’ancrage est quelque peu en retrait du parement du béton fini, ce qui nécessite une adaptation locale du coffrage. Le cachetage de l’ancrage lorsque toutes les opérations (mise en tension et injection de coulis) sont terminées, permet la mise à niveau avec le parement. On peut aussi préfabriquer des plaques d’about dans le cas où on a un nombre élevé d’ancrage.

Au sommaire

CHAPITRE 1 : PRESENTATION DU BETON PRECONTRAINTES ET DES TECHNOLOGIES DE LA PRECONTRAINTE

1. PRESENTATION
2. TECHNOLOGIE DE LA PRECONTRAINTE
3. ETAPES DE CONCEPTION DES OUVRAGES D’ART
   CHAPITRE 2: EUROCODE 2 ET PRECONTRAINTE
4. EUROCODE 2 : NF EN 1992
5. ETATS LIMITES
6. ACTIONS ET SOLLICITATIONS
7. DEFINITION DES SECTIONS
8. CARACTERES DES MATERIAUX

CHAPITRE 3 : INEQUATIONS FONDAMENTALES DU BETON PRECONTRAINT EN FLEXION COMPOSEE .

1. INTRODUCTION
2. CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES D’UNE SECTION
3. SOLLICITATIONS DANS UNE SECTION, CENTRE DE PRESSION, LIGNE DE PRESSION
4. NOYAU LIMITE, FUSEAU LIMITE
5. NOYAU DE PASSAGE, FUSEAU DE PASSAGE
6. VALEUR MINIMALE DE LA PRECONTRAINTE DANS UNE SECTION
7. SECTION SOUS-CRITIQUE, SECTION SUR-CRITIQUE
8. FUSEAU DE PASSAGE
9. DETERMINATION DU CARACTERE D’UNE SECTION
10. SECTION MINIMALE DE BETON
11. APPLICATION A L’EUROCODE 2
12. RECAPITULATIF
13. CHOIX DES CABLES
    ANNEXE : POSITION ET ENROBAGE DES ARMATURES DE PRECONTRAINTE

CHAPITRE 4 : PERTES DE PRECONTRAINTE

1. DIAGRAMME DE TENSION
2. EVALUATION DES PERTES DE PRECONTRAINTE

CHAPITRE 5 : FERRAILLAGE PASSIF

1. FERRAILLAGE PASSIF
2. ARMATURES DE PEAU
3. ARMATURES LONGITUDINALES DES ZONES TENDUES

CHAPITRE 6 : JUSTIFICATION VIS-A-VIS DE L’EFFORT TRANCHANT

1. INTRODUCTION
2. VERIFICATION DU CISAILLEMENT
3. JUSTIFICATION DES ARMATURES TRANSVERSALES
4. JUSTIFICATION DES BIELLES DE BETON COMPRIME
5. REDUCTION DE L’EFFORT TRANCHANT

CHAPITRE 7 : EXEMPLE DE VERIFICATION D’UNE POUTRE ISOSTATIQUE ENONCE DU PROBLEME