Béton armé Principes et bases de dimensionnement

Jacqueline SalibaJacqueline.Saliba@u-bordeaux.fr

Introduction

Structure massive de forage de pétrole en béton armé

Pont en arc en béton armé

Structures en béton armé

Le béton et le béton armé sont utilisés comme matériaux de construction dans tous les pays. Le béton armé est un matériau structurel dominant dans la construction

Barrage en béton armé

Centrale nucléaire en béton

Autoroute - Ponts en BA

Structures en béton armé

Consommation par marché du béton

Structures en béton armé

Structures en béton armé

Ce cours se concentre principalement sur la conception de bâtiments en béton armé.

Systèmes structurels: constructions en porte-à-faux

Systèmes structurels: poutre simplement appuyée

1/12/2021

Poutres préfabriquées: T, L et I

RectangularBeam

Inverted TeeBeam

AASHTOBeam

L-ShapedBeam

Poutres préfabriquées: T, L et I

Systèmes structurels: poutre à portée continue

Systèmes structurels: cadres résistants aux moments

Systèmes structurels: cadres résistants aux moments

Réponse au chargement vertical

Systèmes structurels: cadres résistants aux moments

Réponse au chargement latéral horizontal

Systèmes structurels: Systèmes de résistance à la force latérale du cadre-mur

Bâtiments en béton armé - Éléments structurels

I. Introduction II. Adhérence III. Dispositions IV. Flexion VI. Effort tranchant

INTRODUCTION

V. Compression

On évalue la charge transmise par une dalle en béton aux poutres porteuses en fonction de la disposition des poutres sous la dalle.

I. Introduction II. Adhérence III. Dispositions IV. Flexion VI. Effort tranchant

INTRODUCTION

V. Compression

I. Introduction II. Adhérence III. Dispositions IV. Flexion VI. Effort tranchant

INTRODUCTION

V. Compression

Qu’est-ce que le béton?Le béton est un matériau complexe obtenu en mélangeant, dans des proportions convenables :

• des granulats (sable, graviers, cailloux ou pierres concassées)• un liant (généralement du ciment)• et de l’eau (eau de mouillage des granulats et d’hydratation du ciment)

Ce mélange fait prise (il se solidifie) puis il durcit (ildevient résistant).

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INTRODUCTION

V. Compression

Avantages :Dans le domaine du génie civil, le béton se révèle être unmatériau :• bon marché et durable,• de préparation facile et rapide,• facile à mouler (permet de réaliser des formes quelconques),• de très bonne résistance à la compression (20 à 60 MPa)

Inconvénient majeur :Sa résistance à la traction est médiocre(résistance à la traction du béton = 1/10 de sa résistance en compression)

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INTRODUCTION

V. Compression

Principe du Béton Armé

Pour pallier à la faible résistance du béton en traction et à sa fragilité, on lui associe des armatures en acier.

les armatures absorbent les efforts de traction

le béton absorbe les efforts de compression

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INTRODUCTION

V. Compression

Pour pallier à cette insuffisance, deux solutionsØ disposer dans les zones tendues des armatures d’acier qui ne

deviennent efficaces que lorsque les charges extérieures commencent à agir

c’est le Béton Armé

Ø Pré-comprimer le béton par le jeu d’efforts intérieurs de manière à neutraliser les contraintes de traction qui seraient apparues sous l’effet des charges

c’est le Béton Précontraint

Béton armé (reinforced concrete)Utilisé lorsque la structure est aussi sollicitée en traction. Les armatures métalliques permettent de suppléer le béton qui est lui très mauvais en traction.

Avantages :• Choix des formes• Capacité portante élevée• Bonne durabilité• Bonne résistance au feu• Economique

Inconvénients :• Poids propre élevé• Faible isolation thermique• Esthétique discutable

Pourquoi utiliser du béton armé (avantages et inconvénients) ?

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INTRODUCTION

V. Compression

Béton :• Bonne résistance en compression• Mauvaise résistance en traction• Peu cher

Acier :• Bonne résistance en compression• Bonne résistance en traction• Assez cher

Le but étant de minimiser le coût de nos structures, l’objectif du calcul de BA sera de chercher la configuration permettant de minimiser l’acier au regard du béton…

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INTRODUCTION

V. Compression

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INTRODUCTION

V. Compression

Causes de la réussite de l’association acierbéton?• l’acier adhère bien au béton, ce qui permet la transmission des efforts d’un matériau à l’autre,

• il n’y a pas de réaction chimique entre le béton et l’acier,

• le béton protège l’acier contre la corrosion,

• le coefficient de dilatation thermique est sensiblement lemême pour les deux matériaux.

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INTRODUCTION

V. Compression

Phases d’exécution du Béton Armé?

Le béton armé s’exécute généralement en 4 phases :

• Le coffrage• Le ferraillage• Le bétonnage• Le décoffrage

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INTRODUCTION

V. Compression

On distingue 3 catégories de béton selon son application structurale:• Béton non armé• Béton armé• Béton précontraint

Béton non armé (concrete)Employé pour les ouvrages travaillant surtout en compression (exemple: grands barrages massifs). La forme de l’ouvrage prévue pour solliciter le béton essentiellement en compression.

Béton précontraint (prestressed concrete)Les armatures sont mises en tension avant l’application de charges; on met ainsi le béton en compression : meilleure résistance aux contraintes de traction.

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INTRODUCTION

V. Compression

Considérons une poutre de béton sans armatures etchargeons-la comme suit:

Augmentons F jusqu’à la rupture de la poutre.

La rupture interviendra brutalement pour unefaible charge : F=6 000 N

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INTRODUCTION

V. Compression

La forme même de la rupture nous montre que cette dernièreprovient d’une insuffisance du béton à la traction.

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INTRODUCTION

V. Compression

Nous allons remédier à cette insuffisance en plaçant en zone inférieure (là où se développent les contraintes de traction) des barres d’acier longitudinales.

Armée d’aciers longitudinaux en partie tendue, la poutre présente une meilleure résistance : F=70 000 N (12 fois plus)

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INTRODUCTION

V. Compression

Ce sont des fissures inclinées, près des appuis, qui provoquentmaintenant la rupture de la poutre…Ce type de fissure est dû à l’ effort tranchant (ou cisaillement).Pour empêcher ce type de rupture, nous allons concevoir une 3ème

poutre possédant, en plus, des armatures transversales (cadres)

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INTRODUCTION

V. Compression

Ainsi armée (aciers longitudinaux + aciers transversaux), la poutre possède une résistance améliorée.La rupture intervient à F=110 000 N (18 fois plus)

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INTRODUCTION

V. Compression

L'acier est ajouté dans la fibre en tension pour fournir la résistance à la traction qui manque au béton

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INTRODUCTION

V. Compression

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INTRODUCTION

V. Compression

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INTRODUCTION

V. Compression

Bilan des différents types d’armatures1. Les armatures longitudinalesü Les armatures de traction : Elles sont disposées dans le béton tendupour reprendre les efforts de traction.ü Les armatures de compression : Elles sont disposées lorsque lasection de béton est insuffisante pour reprendre la totalité de l’effortde compression.ü Les armatures de montage : Si l’on n’a pas besoin d’armatures decompression, on les dispose en partie supérieure pour permettre lamise en place des armatures transversales.

2. Les armatures transversalesElles reprennent l’ effort tranchant. elles sont généralement constituées de cadres, d’épingles ou d’étriers.

Le comportement du béton armé basé sur les phénomènes d’adhérence : ancrage et frottement entre les barres d’acier et le béton.

DéformationsSi l’on suppose une adhérence parfaite, alors, dans une même fibre, les déformations spécifiques du béton et de l’acier sont les mêmes…

εarmature=εbéton

Pour de petites valeurs de ε, le béton tendu suit les allongements de l’armature, jusqu’au moment où il atteint sa résistance de traction. Dès lors, apparaît une fissuration locale du béton accompagnée d’un léger glissement entre le béton et l’acier au droit de la fissure.

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INTRODUCTION

V. Compression

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INTRODUCTION

V. Compression

Adhérence acier-bétonDéfinitionL’adhérence désigne l’action des forces de liaison qui s’opposent au glissement des armatures par rapport au béton qui les enrobe.

Nature de l’adhérenceEssai d’arrachement

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INTRODUCTION

V. Compression

L’adhérence entre les deux matériaux subsiste même après des déplacements notables.

Ce n’est pas un simple « collage »

Apparition de fissures inclinées à 45°sur l’axe de la barre - "bielles" de béton provoquant un phénomène de frottement.

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INTRODUCTION

V. Compression

Types de rupture:

• glissement de la barre dans le béton (ronds lisses),

• destruction du béton par arrachement d’un cône de béton ou par fendage longitudinal du béton (barres à haute adhérence),

• rupture par traction de l’acier (ancrage parfait).

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INTRODUCTION

V. Compression

§ état de surface des armatures,

§ groupement des armatures,

§ épaisseur du béton d’enrobage et présence

§ d’armatures de couture,

§ résistance du béton,

§ et conditions de moulage

Facteurs agissant sur l’adhérence

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INTRODUCTION

V. Compression

Rôle de l’adhérence

• Ancrage des barres à leurs extrémités,

• Répartition des fissures,

• Entraînement des armatures.

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INTRODUCTION

V. Compression

Approche théorique

Notions de sécuritéPrincipe de la réglementation

• BAEL• EUROCODE 2

Quels sont les textes réglementaires pour le calcul des structures en béton armé ?

Beaucoup de similarités. L’Eurocode affine certains mécanismes et modifie un peu les notations (homogénéisation avec les autres Eurocodes).

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INTRODUCTION

V. Compression

§ UBC = Uniform Building Code

§ IBC = International Building Code

§ ASCE 7-10 = American Society of Civil Engineers

§ ACI 318M-14 = American Concrete Institute

Objectifs EUROCODE :

- favoriser le développement du marché unique européen pour les produits et les services d’ingénierie (suppression des obstacles dus à des pratiques nationales codifiées différentes)

- améliorer la compétitivité de l’industrie européenne

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INTRODUCTION

V. Compression

10 textes EN 1990 : BEN 1991 : AEN 1992 : SEN 1993 : SEN 1994 : SEN 1995 : SEN 1996 : SEN 1997 : CEN 1998 : REN 1999 : S

EUROCODE : 10 textes : Bases de calcul des structures Actions sur les structures (EC1) Structures en béton (EC2) Structures en acier (EC3) Structures mixtes acier-béton (EC4) Structures en bois (EC5) Structures en maçonnerie (EC6) Calcul géotechnique (EC7) Résistance au séisme (EC8) Structures en aluminium (EC9)

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INTRODUCTION

V. Compression

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INTRODUCTION

V. Compression

A quels critères doit répondre une structure?Une structure doit être conçue et réalisée de sorte que :F elle reste adaptée à l’usage pour lequel elle a été conçue,F elle résiste à toutes les actions et influences susceptibles d’intervenir

pendant son exécution et son utilisation.

la sécurité critère important dans la construction, mais pas de sécurité absolue.Pourquoi? Comment résoudre le problème?recherches domaine du "probabilisme"

de "la plasticité"et du "calcul à la rupture"

Méthode des états limites base du calcul suivant les règles BAEL et les Eurocodes.

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INTRODUCTION

V. Compression

Principe de la méthode des états limitesComme la plupart des codes internationaux, le règlement FrançaisBAEL 91 ainsi que l’Eurocode 2, sont des règlements semi probabilistes basés sur la notion d’états limites.

En quoi consiste cette méthode?La méthode des états-limites consiste à :F définir les phénomènes (appelés états-limites) à éviterF estimer la gravité des risques liés à ces phénomènesF définir des critères de sécuritéF dimensionner les éléments de la construction de telle manière que la probabilité d’atteinte d’un de ces phénomènes soit limitée à une valeur assez faible pour être acceptable en fonction du risque et du coût.

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INTRODUCTION

V. Compression

Les différents états-limitesEn pratique, à chaque phénomène à éviter correspond un état limite. Selon la gravité des risques qui leurs sont associés, ces états limites se rangent en deux grandes catégories :

F les états limites ultimes dont on considère que l’atteinteéquivaut à la ruine de la structure ou un de ses éléments.

F les états limites de service dont on considère que l’atteintecompromet l’utilisation de la structure sans qu’il y ait ruine.

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INTRODUCTION

V. Compression

Les états limites ultimes (ELU)On distingue :• l’état limite ultime d’équilibre statique qui concerne la stabilité de l’ouvrage. C’est la perte de la stabilité d’une partie ou de l’ensemble de la construction (non glissement, non renversement).

• l’état limite ultime de résistance qui concerne la non rupture de l’ouvrage. c’est la perte de résistance soit du béton (non rupture par écrasement) soit de l’acier (non rupture par allongement excessif).

• l’état limite ultime de stabilité de forme, concerne les pièces élancées soumises à un effort de compression axiale (flambement)

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INTRODUCTION

V. Compression

Les états limites ultimes (ELU)Effondrement partiel ou complet d'une structure => perte de vie, pertes financières

(a) Perte d'équilibre: basculement (retournement) ou glissement de l'ensemble de la structure.

Immeuble à Shanghai

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INTRODUCTION

V. Compression

Les états limites ultimes (ELU)(b) Rupture de pièces critiques, entraînant un effondrement partiel ou complet.

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INTRODUCTION

V. Compression

Les états limites ultimes (ELU)(c) Effondrement progressif (effet Domino): la surcharge d'un membre peut entraîner la défaillance de ce membre et la charge est transférée aux membres adjacents qui à leur tour sont surchargés et échouent.

Ronan Point Towers, London UK,

1968.

Une explosion de gaz s'est produite dans la cuisine du 17e étage de l'immeuble de 22 étages.

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INTRODUCTION

V. Compression

Les états limites ultimes (ELU)(d) Instabilité: due aux déformations de la structure (flambement).

(e) Fatigue: des cycles de contrainte répétés des charges de service peuvent provoquer un effondrement. Exemple: Le train applique des contraintes répétées sur les colonnes du pont.