le béton précontraint

Le bton prcontraintfiche technique n7 Cette fiche sappuie sur les notions dcrites dans la fiche bton arm. La prcontrainte est unphnomne qui existait avant quon la connaisse dans son acception courante. Par exemple, lagravit agit sur les voussoirs des votes en pierre comme une prcontrainte. Grce elle, les effortsinternes peuvent tre canaliss dans la vote, condition pour son maintien. La prcontrainte estmaintenant gnralement exerce par lintermdiaire de cbles composs de torons, ceux-ci tant lextrieur ou lintrieur du bton.

1 Principe du bton prcontraint

On prsente ici le principe du bton prcontraint au travers de ltude dune poutre en flexion. En ralit,la prcontrainte trouve des applications dans les pices soumises dautres sollicitations (traction pure oucompression pure).

Dans le calcul du bton arm, la part du bton qui est en traction est nglige. Oncomprend alors quune partie importante du matriau ne sert qu loigner lesaciers (tirants) du centre de gravit des sections flchies. Au contraire, lide qui aconduit lavnement du bton prcontraint consiste placer la matire dans untat pour lequel on peut profiter de toute la section de bton. On fabrique unmatriau capable de rsister aux 2 sens des sollicitations sous laction dessurcharges, bien que nayant de pitres performances en traction. Il faut pour celaque le bton ne soit pas tendu. On vient alors le comprimer de manire ce queladdition des contraintes initiales de compression aux contraintes dues auxsurcharges conduise des sections toujours comprimes. Sur la figure 1 qui illustrecette opration, on additionne aux contraintes dues aux chargements extrieurs, unecompression centre apporte par la prcontrainte pralable du bton. Leffort Pcentr (schma 1) conduit une distribution constante des contraintes decompression dans toutes les sections transversales de la poutre. Lorsque celles-cisont additionnes aux contraintes de flexion dues aux surcharges (schma 2), onobtient une distribution triangulaire des contraintes rsultantes (schma 3).

Figure 1 : principede la

prcontrainte. Enadditionnant lesschmas du hautet du milieu, on

obtient le schmadu bas.

Cette prcontrainte est cre par des cbles tendus en acier, ainsi maintenus par des ttes dancragessappuyant sur le bton. Celui-ci est alors comprim. Dans la suite on assimilera la prcontrainte un seulcble, dans un souci de simplification, alors que la prcontrainte est obtenue en gnral par un ensemblede cbles.

1.1 Etape 1 - Prcontrainte centre

Principe du btonprcontraintDveloppement de laprcontrainte par FreyssinetTypes de prcontrainteApplications de laprcontrainte

1 2 3 4 5 6 7 8 92 Configurations gomtriques -Portiques3 Configurations gomtriques -Voiles et dalles5 Le bton arm, principesmcaniques6 Coul en place, BPE

1 2 3 4 5 6 72 Choix des performances6 Normalisation europenne sur lebton

A L N P T VToulouse - Viaduc de laroport deBlagnacValenciennes - Parking de lhpital

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Pour une poutre soumise la flexion positive (flche due aux surcharges dans le mme sens que lagravit), la prcontrainte centre, cest--dire celle qui passe par le centre de gravit des sections, ici mi-hauteur, nest pas optimale. En effet, dans le cas de la figure 1 ci-dessus, si R est la contraintemaximale admissible en compression dans le bton, la prcontrainte centre va consommer une partiede R. Supposons que la prcontrainte consomme R/2. On a pr comprim la zone mme de bton quise trouvera comprime par les surcharges.

1.2 Etape 2 - Prcontrainte excentre

On observe dans le cas de la prcontrainte centre, que les compressions vont devoirtre limites de faon quelles ne dpassent pas R/2 dans la zone la plus comprime(leur somme devant tre gale R en fibre suprieure). Il est donc judicieuxdexcentrer la prcontrainte de manire ne comprimer que la matire qui sera ensuitetendue par les surcharges. On obtient alors la configuration de la figure 2.Lexcentrement de la prcontrainte sera telle que la fibre infrieure sera sollicite Ren labsence de surcharges. Cet excentrement gnre une distribution triangulaire descontraintes de compression dans la section de la poutre (schma 1 de la figure 2). Pourun excentrement positionn au tiers infrieur de la poutre, pour une poutrerectangulaire, la contrainte due la prcontrainte sannule la fibre suprieure. Onsaperoit que la capacit supporter les surcharges sera alors double puisquecelles-ci pourront provoquer des contraintes valant R et non pas R/2 comme danslexemple prcdent (schma 2 de la figure 2). En consquence, en labsence desurcharges, la flche de la poutre sera ngative (contreflche vers le haut) puisque laflexion due la prcontrainte est aussi ngative (Figure 3).

Figure 2 :Excentrement

de laprcontrainte.

Figure 3 :Contreflche

produite par laprcontrainte

excentre.

1.3 Etape 3 - Prcontrainte parabolique

En fait, le poids propre des pices de bton vient modifier le diagramme des contraintes. Une amliorationrendue possible par la technique de la post tension consiste faire varier leffet de la prcontrainte le longde laxe de la poutre. Au droit des appuis, la flexion due au poids propre est nulle si bien que le cble peuttre proche du centre de gravit de la section, alors qu mi porte, leffet du poids propre tant maximal,lexcentrement du cble sera alors maximal. Ainsi, le trac optimal du cble suit homothtiquement celuide la distribution du moment flchissant rsultant du poids propre. Le trac du cble sen trouve doncparabolique (Figure 4).

Figure 4 : Trac parabolique du cble.

Les principes du bton prcontraint que lon vient dillustrer propos des poutres sont aussi appliqus dautres lments de structure, tels que les poteaux, les pieux, les dalles, etc.

2 Dveloppement de la prcontrainte parFreyssinet

Eugne Freyssinet (1879-1962) est lauteur du premier brevet sur la prcontrainte en 1928, bien que lidesoit plus ancienne et revte plusieurs formes. Par exemple, Freyssinet utilisa des systmes de vrins plats


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en tle dacier placs la cl des 3 arcs du viaduc du Veurdre (1911-1912) qui saffaissaientirrmdiablement sous leffet du fluage du bton. Cette prcontrainte des arcs avait la fois leffet de lesrelever et dempcher lapparition de contraintes de tractions internes. Il est le premier avoir compris les2 conditions ncessaires pour que la prcontrainte perdure dans la matire. En effet, les dformations dubton (dformations instantanes, de fluage et de retrait) rduisent, voire peuvent annuler, leffet de laprcontrainte. Il se produit alors une rduction de lallongement des cbles, donc de la prcontrainte dubton. Freyssinet fait le calcul suivant. Pour un bton comprim une contrainte de 5 MPa, produisant parailleurs un retrait de 500 m/m et dont le module long terme (incluant le fluage) vaut 5000 MPa, ladformation du matriau vaut alors :

La perte de prcontrainte dans le cble vaut alors (le module de lacier est de lordre de 200 000 MPa) :

Cette perte de traction est donc trs importante et peut suffir annuler la compression permanente dubton. Freyssinet tire la leon suivante de ce calcul. Il faut premirement utiliser un bton de rsistanceleve, dont les dformations seront alors rduites. Deuximement, il faut tendre les cbles deprcontrainte des valeurs trs leves, de manire ce que les pertes (invitables) soient aussi faiblesque possible en proportion de leur valeur initiale. Cest ce quil sest attach raliser pour ces premiresexpriences de poteaux lectriques creux de 12 16 m de hauteur (ces poteaux tant soumis la flexion).Son objectif de produire des structures performantes et conomiques base de bton tait ici atteint(Figure 5).

Figure 5 : Prcontrainte de poteaux lectriques en bton (Montargis 1933).

Puis, vient en 1934 le fameux sauvetage de la gare maritime du Havre, gare destine recevoir lepaquebot Normandie. Les fondations de la gare existante sont des pieux de 10 m de longueur environ,fichs dans un sol argileux de mauvaise qualit. La gare senfonce irrmdiablement. La solution deFreyssinet consiste enfoncer 700 pieux de 25 30 m de hauteur, pieux raliss par tronons de 2 m,assembls par prcontrainte.

Les grandes tapes de lapplication de la prcontrainte seront les canalisations deau de loued Fodda enAlgrie en 1936, les ouvrages maritimes (barges, caissons ballasts, etc.), le pont de Luzancy (Figure 6),sur la Marne, construit de 1941 1946, etc. Le pont de Luzancy, conu sur le principe de poutres caissonsprfabriques et mises en place par un blondin (structure cbles), sera une source dinspiration pour 5ponts identiques construits galement sur la Marne entre 1946 et 1949 (Ponts de Ussy, dAnnet, deTrilbardou, de Changis et dEsbly).

Figure 6 : Pont de Luzancy en construction.

Ds lors, la prcontrainte sest dveloppe dans de nombreuses applications.

3 Types de prcontrainte

On distingue actuellement 2 grands types de prcontrainte : la prcontrainte par pr-tension et celle parpost-tension.

3.1 Prcontrainte par post-tension


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Dans la post-tension, des conduites destines recevoir les torons sont placs dans le coffrage, suivant letrac pr-tabli (Figure 7). Un cble est un ensemble de torons. Aprs btonnage et durcissement du btonjusqu une valeur minimale ( contrler prcisment), les torons sont introduits dans les conduites,assembls dans des ttes dancrage (Figure 8), puis tendus laide dun vrin (Figure 9).

Figure 7 : Conduites deprcontrainte pour la post-tension.A gauche pour une dalle, droitepour une poutre de larche de la

Dfense.

Figure 8 : Exemple de ttedancrage et des torons enlabsence de la conduite deprotection (donner une vueclate avec les clavettes).

Figure 9 : Vrin de mise entension (donner une coupeavec le fonctionnement du

vrin).

3.2 Prcontrainte par pr tension

Les torons, disposs dans le coffrage aux emplacements voulus, sont pralablement tendus, cest--direavant le coulage du bton. Le bton est ensuite coul dans les coffrages. Une fois durci et suffisammentrsistant, on coupe les torons lextrmit des poutres, et, par adhrence, les torons sollicitent le bton encompression. Cette mthode est utilise en usine de prfabrication.

Figure 10 : Prcontrainte par pr-tension. Exemple de poutrelles du btiment.

4 Applications de la prcontrainte

Les domaines privilgis dutilisation de la prcontrainte sont le btiment et les ouvrages dart (voir pontprcontraint de Toulouse Blagnac). Dans les domaines du tertiaire et industriel, un grand usage est fait desplanchers prcontraints alvolaires (Figure 11 et 12). Ces lments sont raliss par extrusion sur desbancs de prcontrainte de plus de 100 m de longueur. Le bton contient trs peu deau et nest pasadjuvant de manire pouvoir supporter son propre poids juste aprs le passage de la machine coffrageglissant. La pr tension est ralise par des vrins de grande capacit situs une des extrmits du banc.Les planchers alvolaires prcontraints sont des lments structurels optimiss qui permettent de franchirdes portes de plus de 12 m pour des charges de bureau.

Dautres applications plus particulires sont citer. Freyssinet a par exemple appliqu la prcontraintepour des poteaux lectriques (flexion compose), ou des galeries deau (tanchit).

Les pousses en pied des arcs ou des coques peuvent tre reprises par des tirants prcontraints (voir leCNIT).

Les rservoirs ou silos sollicits en traction orthoradiale peuvent recevoir une prcontrainte annulaire quimaintient le bton en compression, limage du cerclage du tonneau.

Dans le domaine du nuclaire, les parois intrieures des enceintes de confinement doivent supporter unepression accidentelle de 0,5 MPa tout en gardant une tanchit satisfaisante. La solution est apporte parla prcontrainte dans les 2 directions (Figure 13).

Figure 11 : exemple deplanchers alvolaires

Figure 12 : excution des planchers par unemachine coffrage glissant (extrusion) et vue

Figure 13 : Enceinte deconfinement dune


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prcontraints. des ancrages de torons aux extrmits dubanc.

centrale nuclaire.

Certains ouvrages la mer doivent garder leur tanchit. La digue flottante de Monaco (Figure 14) est unouvrage de 350 m de longueur, construit en bton de haute performance et prcontraint dans les 3directions. Cette prcontrainte est ncessaire au maintien de ltanchit car elle permet dviter lesfissures dorigine mcanique.

Figure 14 : Digue flottante de Monaco sur le site de construction dAlgeciras (Espagne).

Dans le domaine de la gotechnique, les tirants prcontraints sont utiliss pour stabiliser les murs desoutnement ou autres parois (Figure 15).

Figure 15 : tirants dancrage de sols. A gauche, ancrage dun massif de fondation support de cble depont suspendu. A droite, ancrage dun cuvelage soumis la pousse dArchimde (sol satur deau).

CrditsQuitter


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