Chapitre 1Béton Précontraint- Généralités: concepts de

base et modes de réalisation

Module Béton Précontraint

Karim Miled, ENIT 2009

1

Plan du chapitre

I. Historique du B.P.

II. Principe du béton Précontraint

II.1. Définition de la précontrainte

II.2. Principe du béton précontraint

II.3. Poutre isostatique fléchie en B.P.

II.4. Tirant en B.P.II.4. Tirant en B.P.

II.5. Avantages du béton précontraint

III. Modes de réalisation de la précontrainte

III.1. Précontrainte par pré-tension

III.2. Précontrainte par post-tension

IV. Contrôle des connaissances

2

I. Historique du B.P.• Personnes et dates importantes

- Vicat (1818) : élabore la théorie de l’hydraulicité: mélange

de calcaire et de silice conduit à l’obtention d’un ciment

artificiel par cuisson

- J. Lambot (1847) : renforcement du mortier de ciment

avec des aciers (brevet de la barque imputrescible)avec des aciers (brevet de la barque imputrescible)

3

- J. Monier (1867) dépose le brevet de la caisse horticole réalisé en

mortier de ciment armé. Il propose ensuite un système de construction

de maison, de ponts et de réservoirs en béton armé

Caisses horticoles

4

- F. Hennebique (1896) : placement des fers selon la direction des

contraintes (fers longitudinaux et étriers)

- Fin du 19èm siècle: des ingénieurs américains ont essayé d’appliquer

le principe de la précontrainte, ancien en lui-même, au béton, mais leur

tentative a échoué.

- Eugène Freyssinet, un brillant ingénieur français des ponts et

chaussées, lui revient le grand mérite de mettre au point et de

développer la technique du béton précontraint.

Dès 1908, il réalisait des tirants précontraints au moyen de fils en acier

dur et entreprenait une étude des déformations différées du béton.

En 1928, Il déposait ses principaux brevets relatifs à la constructionEn 1928, Il déposait ses principaux brevets relatifs à la construction

d’ouvrages en béton précontraint.

En 1941, il a conçu et construit le premier pont en B.P.: le pont de

Marne à Luzancy en France, ayant une portée de 55m.

- A partir de la fin de la deuxième guerre mondiale (1945), le béton

précontraint a connu son véritable essor, lorsqu’il fallut construire les

très nombreux ouvrages détruits en Europe.

5

II. Principe du B.P.

• La précontrainte est un pré-chargement d’un système mécanique ou

d’une structure visant l’amélioration de ses performances mécaniques

« Pré-contraindre une construction, c'est la soumettre, avant l'application des

charges, à des forces additionnelles déterminant des contraintes telles que leur

composition avec celles qui proviennent des charges donne en tout point des

résultantes inférieures aux contraintes limites que la matière peut supporter

indéfiniment sans altération » E. Freyssinet

II.1. Définition de la précontrainte

d’une structure visant l’amélioration de ses performances mécaniques

(résistance, rigidité, etc.).

• la précontrainte est une technique ancienne qui est utilisée dans

plusieurs systèmes mécaniques.

• La roue d’une bicyclette est un exemple de système précontraint:

les rayons sont tendus préalablement en prenant appui sur la jante

et le moyeu pour empêcher leur rupture par flambement lorsqu’ils

seront comprimés sous l’action du poids du cycliste. 6

La précontrainte appliquée au béton: quelle(s) performance(s)

voudrait on améliorer ?

• Le béton résiste bien à la compression mais très mal à la traction (sa résistance à

la compression est de l’ordre 1/12 seulement de sa résistance à la compression)

• Le béton armé remédie à ce défaut en disposant dans les zones tendues des

armatures d’acier dirigées suivant la direction des forces de traction et capables d’y

résister. Cependant, le béton armé présente plusieurs défauts qui limitent son emploi:

- Le béton enrobant les armatures est tendu en même temps qu’elles et ne peut

subir leur allongement sans se rompre; il en résulte des fissures. Par ces fissures,

7

subir leur allongement sans se rompre; il en résulte des fissures. Par ces fissures,

les armatures peuvent être en contact direct avec le milieu ambiant, d’où un

risque de corrosion=> le béton armé convient mal aux ouvrages situés en milieu

agressif.

- Le béton armé est lourd: les parties tendues du béton ne sont utilisées que pour

enrober l’acier et leur poids constitue un handicap pour les poutres de grande

portée => la charpente métallique se révèle souvent plus économique.

Il est donc logique de chercher à utiliser à plein la résistance du béton

moyennant la précontrainte, mais comment ?

II.2. Principe du béton précontraint

Appliquer à l’avance (un pré-chargement) une compression

permanente au béton afin d’éliminer les contraintes de

traction dues aux charges qui seront appliquées

postérieurement=> la variation de contraintes dues à ces

tractions ne provoque qu’une décompression du béton=> la

section du béton demeure entièrement comprimée

⇒

8

⇒ La section et la résistance du béton sont exploitées à plein (100%)

⇒ Absence de fissuration du béton.

Poutre en B.P.

Poutre en B.A.

II.3. Précontrainte d’une poutre isostatique fléchie

Le principe est de soumettre la pièce en béton fléchie

à un effort de compression convenablement

appliqué, pour éliminer, d’une part, les contraintes

de traction dans la membrure tendue et limiter, de traction dans la membrure tendue et limiter,

d’autre part, les contraintes de compression dans la

membrure comprimée, afin de faire disparaître tout

risque de fissuration

9

Diagrammes des contraintes élastiques linéaires

z

b

h

y

II.3.1. Précontrainte centrée

On choisit P tel que P/(bh)=σσσσ0=h/2*Mmax /(bh3/12) => P= 6 Mmax/h Risque de rupture

de béton par excès

de compression !Diagrammes des contraintes élastiques linéaires

P=σσσσ0bh

10

σσσσ0

y

σσσσ

y y

σσσσ

σσσσ0=Mmax h/2I

σσσσ

- σσσσ0σσσσ0

2σσσσ0

0Effet de la précontrainte

Effet de charges extérieures

cumul

P

de compression !

Diagrammes des contraintes élastiques linéaires

II.3.2. Précontrainte excentrée

On choisit (P, e0) tel que P=σσσσ0bh/2 => P= 3 Mmax/h et e0= -h/6

=> Effort de précontrainte excentrée réduit de moitié par rapport à celui nécessaire en

précontrainte centrée => gain de 50% sur le coût de la précontrainte.

Noyau centralb/3

y

zh/3

Diagrammes des contraintes élastiques linéaires

11

y

σσσσ

y y

σσσσ

σσσσ0=Mmax h/2I

σσσσ

- σσσσ0σσσσ0

σσσσ0

0Effet de la précontrainte

Effet de charges extérieures

cumul

e0= -h/6P

0

II.4. Précontrainte d’un tirant en béton

Soit un élément prismatique en béton de section B, chargé de

transmettre un effort de traction sans flexion (un tirant). Cet

élément est précontraint par pré-tension moyennant une

armature en acier dur de section A placée sur la ligne moyenne

du tirant et transmettant au béton un effort de compression

centrée P.

12

Déterminer l’effort de traction maximal qui peut supporter le

tirant sans que le béton soit tendu.

A.N. B=0,1 m2; A=1000 mm2; P=100 tonnes.

II.5. Avantages du béton précontraint

• La précontrainte permet de réduire voire éliminer la

fissuration et la déflection (flèche) des éléments de

structures en béton => un fonctionnement meilleur en

service comparé à celui des structures en B.A.

• La section et la résistance du béton sont exploitées à plein

(100%)

• Les structures en B.P. peuvent supporter des efforts

13

• Les structures en B.P. peuvent supporter des efforts

beaucoup plus importants que celles en B.A. grâce à la

possibilité d’emploi de matériaux (béton et acier) très

performants.

⇒ Réduire les sections en béton => alléger les structures

en béton => augmenter les travées et étendre le domaine

d’application du béton (tabliers de pont à longues travées,

dalles pour planchers à longues portées, etc.)

III. Procédés de mise en précontrainteLa force de compression permanente qui constitue la précontrainte est

réalisée généralement par la mise en tension d’armatures en acier

dur placées à l’intérieur de la pièce en béton à pré-contraindre. Cet

effort de précontrainte correspondant en signe opposé à la force de

traction dans les armatures (principe de l’action et de la réaction) est

très important. Il peut être obtenu avant ou après coulage du béton.

Ainsi, on distingue 2 procédés :

1- La précontrainte par pré-tension ou par

adhérence: Les armatures de précontrainte

sont tendus avant le coulage du béton.

2- La précontrainte par post-tension: Les

armatures de précontrainte sont tendus après

le coulage du béton 14

III.1. Précontrainte par pré-tension

ETAPES

15

La précontrainte se transmet au béton (le béton sera comprimé)

grâce à l’adhérence acier-béton => Précontrainte par adhérence

Domaine d’application: Préfabrication des poutrelles, poutres, pré-dalles et

dalles alvéolées de dimensions standards pour planchers, poteaux de lignes

électriques, traverses de lignes de chemin de fer, etc. => procédé industriel

Poutrelles préfabriquées en béton précontraint par pré-

tension

Treillis

Poutrelles en B.P. (photo UPP Laceramic) Plancher nervuré à poutrelles préfabriquées en

B.P. et à dalle de répartition coulée en œuvre

16

• Plancher semi-préfabriqué car la dalle de répartition est coulée en œuvre (sur place)

• Rapidité et facilité d’exécution sur chantier + coffrage et étaiement minimal

• Coût moins élevé par rapport à un plancher nervuré traditionnel en B.A. entièrement

coulé en œuvre

Treillis

soudé

Planchers à poutrelles préfabriquées précontraintes

entrevous

en béton

aggloméré

Poutrelles

17

entrevous

en terre

cuite

Poutrelles

Dalles alvéolées préfabriquées en béton précontraint

par pré-tension

18

alvéole nervure

Plancher nervuré à dalles alvéolées

• Possibilité de franchir des Portées importantes (allant jusqu’à 15 m)

• Rapidité et facilité de d’exécution sur chantier + coffrage et étaiement minimal

• Coût moins élevé par rapport à un plancher à dalle pleine en B.A.

dalle alvéolée

Poutrelles préfabriquées en double T en béton

précontraint par pré-tension

19

• Facilité et rapidité d’exécution sur chantier (coffrage et étaiement minimal)

• Grande capacité portante + Masse réduite par sections transversales élancées

• possibilité de franchir des portées très importante allant à 30m

• Emploi notamment dans les planchers de parking et bâtiments industriels

où l’aspect esthétique n’est pas important

Poutrelles en double T

Plancher à poutrelles en double T

Pré dalles préfabriquées en béton précontraint par

pré-tension

prédalle

20

Planchers à prédallesDalle de répartition en béton coulée

en œuvre et armée avec un T.S.

• Plancher semi-préfabriqué

• Rapidité et facilité de d’exécution sur chantier + coffrage et étaiement minimal

• Coût moins élevé par rapport aux planchers traditionnels en B.A. entièrement

coulé en œuvre (planchers à dalle pleine et à corps creux)

III.2. Précontrainte par Post-tension

ETAPES

contenant les câbles de précontrainte

Ancrage des câbles aux

extrémités de l’élément

précontraint

21

après durcissement du béton au moyen

de vérins en prenant appui sur

l’élément lui même

La précontrainte se transmet au béton (le béton sera comprimé )

grâce à l’ancrage.

Domaine d’application: principalement les ouvrages d’art (tabliers des ponts,

pont à poutres préfabriquées), les poutres de dimensions non standards, les

planchers-dalles, etc.

Deuxième Famille

Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension

Coffrage, ferraillage et mise en place du câblage de précontrainte

Première

Famille

de câbles

22

poutres d’un pont secondaire faisant

partie du projet du pont principal à

Haubans Radès-La Goulette

Lanceur des

poutres

Tête

d’ancrage

Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension

Mise en tension des câbles de précontrainte après durcissement du béton

en prenant appui sur la poutre

Torons de

précontrainte

23

Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension

24

Mise en tension de la première famille des câbles de précontrainte en prenant

appui sur l’about de la poutre.

Remarque: cette opération est conduite avant la mise en place de la poutre sur les

appuis du pont, c.-à-d. avant la mobilisation de son poids propre .

Poutres préfabriquées en béton Précontraint par post-tension

Vérin

25

Mise en tension de la deuxième famille des câbles de précontrainte en prenant

appui sur la membrure supérieure de la poutre

Remarque: Cette opération est conduite après la mise en place des poutres sur les

appuis du pont et le coulage de l’hourdis , c.-à-d. suite à la mobilisation du poids

propre de la poutre et de celui de l’hourdis

Injection d’un coulis de ciment compact dans les gaines

=> protéger les câbles de précontrainte contre la corrosion

=> solidariser l’armature au béton et interdire tout

glissement longitudinal relatif

=> câbles injectés adhérents et précontrainte adhérente

Préparation du coulis de ciment Injection du coulis de ciment 26

Coffrage, ferraillage et câblage du tablier en caisson

Tablier de pont en béton précontraint

Têtes de fixation des

gaines

27

Tablier du pont d’approche nord du pont

principal à Haubans Radès-La-Goulette

Enfilage des gaines métalliques contenant les câbles de précontrainte

avant coulage du béton

Gaines métalliques

28

Mise en tension et ancrage des câbles sur

l’about du tablier après durcissement du bétonPlaque d’appui

Vérin

unifilaire

Torons

Tête

d’ancrage

29

La mise en tension est réalisée ici à l’aide d’un vérin unifilaire qui tend les fils

(torons) un après un.

• Ancrages le long du fil: la plupart

des grands procédés modernes

utilisent des câbles constitués de

n torons parallèles; après mise en

tension, les torons sont bloqués

Procédés d’ancrage actif

Ancrage

actif 12T15

30

tension, les torons sont bloqués

dans une tête d’ancrage percée de

n trous tronconiques au moyen de

mors métalliques constitués de

deux ou trois éléments appelés

clavettes [procédés Freyssinet K et

Monogroupe ; VSL ; CCL ; SEEE-

FUC ; LH ; PAC ; CONA, etc. ].

IV. Contrôle des connaissances• Le béton résiste très mal aux contraintes de………Précontraindre le béton c’est le soumettre……. avant sa

mise en chargement à une force de ……… permanente afin de………… ces contraintes. Pour les éléments fléchis, cet effort doit être ………..pour ne pas……… excessivement le béton.

• Dans le mode de précontrainte par pré-tension, les armatures sont tendues ……...le coulage du béton à l’aide d’un……..et en prenant appui sur deux ………métalliques extérieures aux éléments à précontraindre et placées aux extrémités du ……. de précontrainte. Après ……… du béton, la tension des armatures est ……… à l’aide d’un …………… de …………. ; le béton est …………. alors par simple ……… Ce mode de précontrainte s’apprête bien à la …………… des poutres, poutrelles, pré-dalles, dalles alvéolées, etc; c’est un procédé……..

• Dans l’autre mode de précontrainte par………, les armatures sont tendues ……...le coulage et le ………… du béton à l’aide d’un vérin et en prenant appui sur l’élément à……... ; l’effort de compression est transmis au béton grâce à …………Ce dispositif est formé principalement d’une……… ….…….trouée et des ……… Ce mode de précontrainte est utilisé principalement dans les …………des ……….. ………..

• Pour protéger les armatures contre la………..dans le mode de précontrainte par post-tension, il faut les • Pour protéger les armatures contre la………..dans le mode de précontrainte par post-tension, il faut les placer dans une ……………et injecter ensuite celle-ci avec un ……… ……..; il s’agit dans ce cas d’armatures …………..Une autre solution consiste à utiliser une ………….. …………….

• Dans le cas d’une poutre isostatique fléchie et précontrainte, déterminer le diagramme optimal des contraintes dans la section médiane (b*h) de la poutre, engendré par un effort de précontrainte Pappliqué avec une excentricité e :

31

b

he

σσσσ0

y

-σσσσ0

σ

y

σ

y

0

σ+ =

Action des Sollicitations

extérieures (M)

Action de la

Précontrainte (P, e)

Diagramme

final (M, P, e)

Donner les valeurs de P et e en fonction de σ0, h et b : P =………. ; e =………….

σσσσ0

P

Solution• Traction; avant; compression; éliminer (ou neutraliser);

excentré; comprimer

• Avant; vérin; culées; banc; durcissement; relâchée; vérin; détension; comprimé; adhérence; préfabrication; industriel

• Post-tension; après; durcissement; précontraindre; ancrage; tête d’ancrage; clavettes; tabliers des ouvrages ancrage; tête d’ancrage; clavettes; tabliers des ouvrages d’art

• Corrosion; gaine; coulis de ciment; adhérentes; graisse anticorrosive

• Action de la Précontrainte (P, e)

32

y

σσσσ0

0

σσσσ

6;

20

0 he

bhP −==

σ