Les voiles en béton armé jouent un rôle crucial dans la stabilité et la rigidité des bâtiments modernes, notamment dans les structures verticales où ils assurent la résistance aux forces horizontales, telles que celles générées par les séismes ou le vent. Leur conception précise, notamment le calcul des armatures et le ferraillage, est essentielle pour garantir la sécurité, la durabilité et la conformité aux normes en vigueur. Dans cet article, nous explorons en détail les principes de calcul, la disposition des armatures, et les méthodes de ferraillage des voiles en béton armé.
1. Qu’est-ce qu’un voile en béton armé ?
Un voile ou mur en béton armé est un élément vertical, généralement coulé en place, constitutif de la structure d’un bâtiment. Sa fonction principale est de résister aux efforts horizontaux et verticaux, tout en assurant la stabilité globale. La plupart du temps, il possède une épaisseur minimale de 15 cm, mais cette valeur peut varier en fonction de la hauteur d’étage et des contraintes spécifiques du projet.
Dimensions et caractéristiques
L’épaisseur du voile est déterminée en tenant compte de la hauteur libre d’étage, de la rigidité requise, et des conditions particulières du site. Par exemple, pour une hauteur d’étage de 4,08 m, l’épaisseur recommandée est d’environ 20 cm. Les voiles sont généralement dimensionnés avec deux grandes dimensions, leur permettant de jouer efficacement leur rôle de contreventement, tout en supportant les charges verticales.
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2. Le système de contreventement
Les voiles constituent un élément essentiel du système de contreventement d’un bâtiment. Selon leur disposition, ils peuvent représenter une part fondamentale de la stabilité structurelle en reprenant les efforts horizontaux dus au vent ou aux actions sismiques.
Types de systèmes
- Système mixte (voile + portique) : Recommandé en zones sismiques, ce système combine la résistance des voiles et celle des portiques pour assurer une meilleure rigidité. Toutefois, il nécessite une conception soigneuse pour la gestion des forces, notamment le changement de sens des forces horizontales en haut de la structure.
Conception et calcul
Pour éviter tout déséquilibre, il est important que les voiles soient placés de manière à limiter l’excentricité et à assurer une rigidité équilibrée dans toutes les directions. La pose des voiles doit respecter des contraintes d’alignement et d’espacement, pour que la structure fonctionne comme un tout cohérent.
3. Principes de calcul des voiles
Modélisation et sollicitations
Les voiles sont considérés comme des consoles supportant des moments fléchissants, des efforts normaux et des efforts tranchants. Leurs calculs doivent prendre en compte :
- La combinaison des charges : G + Q ± E (charges permanentes, d’exploitation et accidentelles)
- La vérification de la résistance du béton, selon la réglementation en vigueur (RPA 99/2003, BAEL 91)
Méthodologie
L’étude repose sur la méthode des contraintes (RDM), où l’on calcule les contraintes principales dans la section du voile, en tenant compte des efforts normaux et des moments. La formule de base est :
où :
- est l’effort normal,
- le moment de flexion,
- l’effort tranchant,
- la section du voile,
- le moment d’inertie,
- la distance entre le centre de gravité du voile et la fibre la plus éloignée.
Selon le signe et la valeur des contraintes, différentes zones (tendue, comprimée, ou partiellement comprimée) sont considérées pour le dimensionnement des armatures.
4. Armatures et ferraillage
Types d’armatures
Les murs en béton armé comportent principalement trois catégories d’armatures :
- Armatures verticales : Placées en nappes, elles résistent aux efforts de flexion composés.
- Armatures horizontales : Disposées parallèlement aux faces des murs, elles assurent la stabilité contre la déformation horizontale.
- Armatures transversales : Reliant les armatures verticales, elles empêchent leur dévoiement et garantissent la cohésion structurale.
Dispositions pratiques
- Armatures verticales : leur section doit représenter au moins 0,15% de la section du béton. Elles sont disposées à intervalles réguliers, principalement en deux nappes, pour répondre aux sollicitations de flexion. Leur diamètre ne doit pas dépasser 1/10 de l’épaisseur du voile.
- Armatures horizontales : réparties uniformément, avec un pourcentage minimum de 0,15%. Elles sont placées pour contrebalancer la flexion et la répartition des contraintes.
- Armatures transversales : implantées pour relier les armatures verticales, généralement à une densité d’au moins 4 épingles par m², avec un espacement maximum de 15 fois le diamètre des barres verticales.
5. Calcul des armatures - exemple pratique
Prenons un exemple concret pour illustrer le processus. Considérons un voile comportant :
- Efforts de 272,14 tonnes (N) et un moment de 3,27 tonne-mètre (M),
- Section du voile : 1,21 m²,
- Moment d'inertie : 1,11 m^4,
- Distance V : 1,92 m.
Détermination des contraintes
Les contraintes principales sont calculées comme suit :
Les deux contraintes positives indiquent que la zone est entièrement comprimée, permettant d'utiliser une armature minimale conformément aux normes.
Armature verticale et horizontale
- Section minimale d’armature : 0,15% de la section du béton,
- Pour une bande de 1 m :
, - Diamètre conseillé : 12 mm, avec un espacement ne dépassant pas 33 cm.
Armatures de couture et disposition
- Pour garantir la résistance au tranchant, une armature de couture d’environ 0,73 cm² est calculée,
- La disposition de ces armatures doit respecter des espacements de l’ordre de 15 à 30 cm selon la réglementation.
6. Vérification à l’état limite ultime (ELU)
Espacement
Les règles d’espacement recommandent de limiter l’écart entre armatures à 30 cm pour assurer leur efficacité et leur ancrage.
Vérification des contraintes de cisaillement
Les efforts tranchants à la section doivent être inférieurs aux résistances maximales admissibles selon les réglementations disponibles (BAEL 91, RPA 99/2003).
Les calculs montrent que dans notre exemple, le cisaillement est bien contrôlé, sans risque de fissuration ou défaillance.
7. Dispositions pratiques pour la pose des armatures
- Armatures verticales : doivent être bien arrêtées, verrouillées et enrobées conformément aux règles en vigueur.
- Espacements : respecter les distances maximales, notamment 15 cm à l’extrémité et 33 cm maximum dans le reste du mur.
- Armatures horizontales : équipées de crochets à 135° pour assurer leur fixation.
- Armatures transversales : placées à intervalles réguliers pour stabiliser la structure.
Liens utiles pour approfondir le calcul et le ferraillage des voiles en béton armé
Cours détaillé sur le ferraillage des portiques et voiles en PDF
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Guide sur le ferraillage et le prédimensionnement des voiles en béton
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Calcul précis des voiles en béton armé : méthodes et exemples
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Conformité du ferraillage des voiles selon la norme BAEL 91
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Conclusion
Le dimensionnement et le ferraillage des voiles en béton armé requièrent une maîtrise précise des principes de calcul, des normes en vigueur, et des bonnes pratiques de pose. La conformité à ces recommandations garantit des structures robustes, durables et résistantes à toutes les sollicitations. En suivant ces lignes directrices, les ingénieurs et les techniciens peuvent concevoir des voiles performants, leur assurant une sécurité optimale.