Le béton armé est un matériau emblématique du génie civil moderne, utilisé dans une multitude de structures allant des bâtiments résidentiels aux ponts, en passant par les tunnels et les infrastructures publiques. Son succès repose sur la conjugaison de deux matériaux aux propriétés complémentaires : le béton, capable de supporter de lourdes charges en compression, et l’acier, qui excelle en traction.
Ce guide est conçu pour offrir une compréhension claire et approfondie des principes fondamentaux du béton armé, répondant aux attentes des étudiants en BTS Bâtiment ou de toute personne souhaitant acquérir des bases solides dans ce domaine. Par le biais d’explications précises, de schémas illustratifs, et de références réglementaires, vous découvrirez l’essence de ce matériau incontournable, ses composants, ses caractéristiques, sa conception, et ses méthodes de mise en œuvre.
1. Historique et évolution du béton armé
L’histoire du béton armé commence au XIXe siècle, lorsque des inventeurs tels que Joseph Lambot, Joseph Monier, et François Hennebique ont expérimenté la fusion du béton et de l’acier. Lambot, en 1848, a réalisé la première barque en béton armé, prouvant ainsi la faisabilité de cette technique. Monier, quant à lui, a déposé des brevets pour des éléments en béton armé utilisés dans la construction de jardins et de ponts.
La première réglementation officielle date de 1906 avec la publication du règlement BA45 en France, qui a codifié les principes de conception en béton armé. Depuis, les normes ont fortement évolué, avec notamment l’introduction de calculs basés sur la résistance des matériaux, permettant d’assurer la sécurité des structures dans le temps. L’adoption des eurocodes européens dans les années 2000 a permis d’unifier et d’harmoniser les méthodes de conception à l’échelle du continent.
2. Composition et fabrication du béton
a. Les éléments constitutifs du béton
Le béton est avant tout un matériau composite, constitué de quatre éléments principaux :
- Ciment : souvent du ciment Portland, riche en clinker, qui agit comme liant.
- Granulats : sable (granulométrie fine), graviers ou pierrailles (granulométrie grossière). Les granulats jouent un rôle structurel en apportant la résistance mécanique et la durabilité.
- Eau : nécessaire à la réaction de prise du ciment, mais en quantité contrôlée pour assurer la qualité du béton.
- Adjuvants : produits ajoutés en petites quantités pour modifier certaines propriétés, comme la fluidité, la prise, ou la durabilité.
b. La fabrication
Le processus de fabrication est précis, ciblant une homogénéité optimale. Après le mélange, le béton doit être coulé rapidement pour éviter l’hydratation prématurée ou la séparation des granulats. La cure, ou période de maturation, est cruciale pour atteindre les résistances maximales et préserver la durabilité.
c. Les dosages
Le choix du dosage dépend de la résistance requise, de la nature du projet et des conditions environnementales. En général, pour un béton de construction courante (fck = 25 MPa), le dosage peut être approximé à :
- Ciment : 300 kg/m³
- Granulats : 1700 kg/m³
- Eau : 150 kg/m³
Ce mélange permet d’obtenir une résistance en compression adaptée à la majorité des structures.
3. Propriétés des matériaux
a. Le béton
- Résistance en compression (fck) : indicateur principal de performance, généralement comprise entre 20 et 50 MPa pour le bâtiment.
- Poids volumique : entre 2200 et 2400 kg/m³.
- Résistance en traction : faible, généralement 10 à 15% de la résistance en compression.
- Dilatation thermique : sensible, ce qui impose de contrôler les températures lors de la mise en œuvre.
b. L’acier
- Limite d’élasticité : en général 215 MPa pour l’acier doux, jusqu’à 500 MPa pour l’acier à haute résistance.
- Type d’armatures : barres, treillis, déployés selon les besoins.
- Adhérence : essentielle pour la cohésion entre béton et acier, dépendante de la qualité de l’armature et du traitement de surface.
c. Interaction béton-acier
L’adhérence permet la transmission des efforts entre les deux matériaux, en évitant le glissement. La conception des armatures doit donc respecter des réflexions essentielles sur leur disposition, leur diamètre, et leur enrobage.
4. Fonctionnement et principe de conception du béton armé
Le béton armé repose sur un principe simple mais puissant : combiner les forces de deux matériaux ayant des comportements mécaniques complémentaires pour obtenir une structure résiliente. Le béton est très efficace en compression, mais faible en traction, ce qui nécessite d’intégrer de l'acier pour supporter les efforts de traction et de flexion.
a. La répartition des efforts
Dans une poutre ou une dalle en béton armé soumise à une flexion, la partie inférieure subit un effort de traction, tandis que la partie supérieure supporte une compression. La conception consiste à disposer dans ces zones des armatures appropriées, généralement des longueurs de barres d’acier longitudinales pour les efforts en flexion, renforcées par des armatures transversales (échafaudages ou étriers) pour limiter l’ouverture des fissures et assurer la stabilité en cisaillement.
b. La microfissuration contrôlée
Le béton, lorsqu’il est soumis à des efforts de traction, tend à se fissurer. Dans le béton armé, ces fissures sont contrôlées par les armatures, qui permettent d’éviter une propagation incontrôlée. La fracture du béton en microfissures est un phénomène normal, mais sa croissance doit être limitée pour préserver la durabilité et assurer le service.
c. La fonctionnalité des armatures
Les armatures longitudinales assurent la résistance principale en flexion et en traction. Les armatures transversales, ou étriers, jouent un rôle crucial dans la résistance au cisaillement et dans la maîtrise de l’ouverture des fissures. Leur arrangement doit respecter des espacements précis pour garantir la performance et la durabilité de la structure.
5. La conception selon la réglementation
a. La réglementation en vigueur
Pour garantir la sécurité et la durabilité des structures en béton armé, plusieurs réglementations encadrent leur conception et leur réalisation. La norme française BAEL (Béton Armé aux États Limites) constitue une référence historique, tandis que les Eurocodes (principale norme européenne) modernisent la méthodologie en introduisant une approche basée sur la résistance aux états limites.
b. La méthode de calcul
Le dimensionnement d’un élément en béton armé se base sur l’analyse aux états limites. Deux domaines principaux sont considérés :
- Etat limite de service (ELS) : la structure doit fonctionner sans déformations excessives ou fissurations apparentes.
- Etat limite de résistance (ELU) : la structure doit supporter les efforts maximaux sans rupture.
Les calculs prennent en compte :
- La Charge appliquée (charges permanentes et d’exploitation)
- La résistance caractéristique du béton (fck)
- La limite d’élasticité de l’acier (fyk)
- Des coefficients de sécurité (γF, γM) pour couvrir les incertitudes.
6. Calcul des structures en béton armé
Pour dimensionner un élément en béton armé, il est nécessaire de suivre un processus précis :
a. Détermination des efforts
On calcule la répartition des efforts grâce aux charges appliquées, en utilisant les méthodes de statique. Par exemple, on détermine le moment fléchisseur maximal dans une poutre en fonction de ses dimensions et de ses charges.
b. Vérification de la résistance
On évalue la capacité de la section à résister à ces efforts. La résistance en flexion est basée sur :
- La capacité portante du béton (résistance en compression)
- La résistance de l’acier (limite d’élasticité et limite ultime)
c. La formule de conception
Une formule classique pour dimensionner la section consiste à vérifier que le moment fléchisseur appliqué ne dépasse pas la capacité résistante, en tenant compte des armatures :
où :
d. L’enrobage
L’enrobage correspond à la couche de béton entourant les armatures, généralement comprise entre 20 et 40 mm, assurant la protection contre la corrosion, notamment dans les environnements agressifs.
7. Mise en œuvre pratique
Réussir une Structure en béton armé ne se limite pas au calcul : cela passe aussi par une réalisation rigoureuse.
a. Préparation
- Vérification des formes
- Pose des armatures selon les plans
- Vérification de l’espacement et de l’enrobage
b. Coulage
- Mise en place du béton fluide, en évitant la séparation
- Vibrations pour garantir la compacité et l’absence d’air
- Respect des délais pour la prise du béton
c. Cure
- Protection contre le dessèchement (boudin, bâches, spray d’eau)
- Durée de cure suffisante pour développer la résistance optimale (en général 7 à 28 jours)
d. Contrôles
- Contrôles visuels pour vérifier la qualité du béton
- Essais de résistance en compression sur échantillons de béton frais (cylindres) ou durci
8. Durabilité et protection
La longévité d’une structure en béton armé dépend énormément de sa résistance à la corrosion, à la fatigue, et aux agressions environnementales. Les principales mesures préventives incluent :
- Un enrobage suffisant pour éviter la pénétration de l’eau et des sels
- Utilisation d’armatures galvanisées ou traitées
- Surveillance régulière et maintenance
Les structures modernes utilisent aussi des bétons spéciaux (basse en perméabilité, autoplaçants, à haute résistance) pour répondre aux exigences spécifiques, notamment dans les environnements marins ou industriels.
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Conclusion
Maîtriser les bases du béton armé est essentiel pour quiconque souhaite évoluer dans le domaine du bâtiment et des travaux publics. Sa conception repose sur une connaissance approfondie des matériaux, de leurs propriétés mécaniques, de la réglementation, ainsi que des principes de mise en œuvre. En intégrant ces savoirs, les futurs professionnels pourront concevoir des structures performantes, durables et respectant les normes de sécurité.
