6 décembre 2010

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La pathologie du béton armé


Le béton armé est un matériau aujourd’hui bien connu : de multiples expérimentations en ont été faites ; la théorie en est très au point ; les règlements se sont succédé, toujours plus précis et plus étoffés : circulaires de 1927 et de 1934 ; BA 60 ; CCBA 68 ; BAEL 80.


Introduction à la pathologie du béton armé

Le béton armé est un matériau aujourd’hui bien connu : de multiples expérimentations en ont été faites ; la théorie en est très au point ; les règlements se sont succédé, toujours plus précis et plus étoffés : circulaires de 1927 et de 1934 ; BA 60 ; CCBA 68 ; BAEL 80.

Pourquoi se produit-il encore des sinistres ?

Il y a d’abord les sinistres que le béton armé subit sans en être la cause : tassements de fondations ; protection insuffisante des revêtements.

Quant aux autres, nous dirons qu’il se produit des accidents parce qu’il existe malheureusement, comme dans toutes les branches de l’activité humaine, des cas fortuits, des constructeurs ou utilisateurs plus ou moins compétents ; parfois même peu consciencieux et enfin, plus rarement, des cas de malveillance.

Les désordres graves ou bénins qui se sont produits depuis l’origine de l’utilisation du béton armé, sont dus à des causes relativement très restreintes. Ce sont presque toujours les mêmes erreurs qui se reproduisent sous des formes différentes. Et à la base de chaque erreur, on découvre en général une faute élémentaire de bon sens.

Les règles du béton armé étant maintenant très précises, un bon nombre de fautes élémentaires, dues à une méconnaissance fondamentale des propriétés du matériau, se sont faites heureusement très rares. Aucune cependant n’a complètement disparu.

Depuis une vingtaine d’années le matériau « béton » a changé, il est devenu plus résistant, plus adaptable à sa mise en place et de meilleure qualité, bien contrôlée ; de même, l’informatique a permis de mieux maîtriser le calcul et de rendre les constructions plus fiables.

Il conviendrait alors de penser que la pathologie du béton armé est vouée à disparaître. Cependant, un récent accident (aérogare de Roissy) prouve le contraire et nous incite à rester encore très vigilant : il ne faut pas oublier la notion d’erreur humaine.

Analyse des causes des sinistres

Bien plus, l’expertise d’un sinistre fait très souvent apparaître la concomitance de plusieurs causes et il n’est pas toujours facile d’en discerner la principale. Pour être clairs dans nos exemples, nous éviterons d’insister sur les causes secondaires, de manière à bien illustrer le phénomène chaque fois évoqué.

L’exposé, ci-dessous, peut paraître dépassé ; néanmoins, les conseils d’hier, confortés d’exemples de l’époque pertinents, méritent d’être repris tant ils restent formateurs et d’actualité.

Erreurs de conception

Nous rencontrons ici les fautes aux conséquences les plus graves, car elles entraînent généralement l’effondrement, ou des déformations telles que la démolition s’impose.

Ce sont des défauts de stabilité à l’égard des efforts :

  • verticaux ;
  • horizontaux ;
  • dynamiques ;
  • de compression (flambement).

Et cela, parfois, en cours de construction.

Instabilité statique

Équilibre de la balance

Tous les livres de physique élémentaire enseignent aux élèves, dans leur première leçon, l’équilibre de la balance qui implique deux poids égaux dans les plateaux. Puis ils montrent, en expliquant la balance romaine (cf. Fig. 1) que le bras de levier a autant d’influence que le poids (cf. Fig. 1a), c’est pourquoi on s’intéresse au produit appelé moment.

Pathologie du béton armé - Équilibre de la balance

Fig. 1Le problème de la bascule.


Quand on a compris, on voit immédiatement que la corniche de la figure 1b va basculer autour de son arête a et s’effondrer.

Et pourtant, on a vu construire des corniches du genre de la figure 1b, et bien sûr s’effondrer, en blessant des ouvriers.


Instabilité en cours de construction

Parfois aussi, l’instabilité est précaire en cours de construction. Il convient de s’en soucier et sérieusement (cf. Fig. 2).

Équilibre de la balance - Désordre du béton armé

Fig. 2Instabilité en cours de construction.

Un poteau est une barre qui transmet un effort suivant sa direction. S’il est incliné, il transmet un effort incliné qui comporte par conséquent une composante horizontale (cf. Fig. 3).

Équilibre de forces à un noeud - Pathologie du béton armé

Fig. 3Équilibre de forces à un noeud.

Or, en statistique, tout effort doit être équilibré par un autre effort égal et opposé.

C’est évident et parfois c’est oublié, tellement on a l’habitude de voir les poteaux transmettre individuellement leur chargement aux fondations.

Dans cet élément de construction, la charge P se décompose en une charge N et un effort horizontal H qui doivent être équilibrés par 2 réactions – N et – P. Le reste de la construction est-il capable de résister à – H ?

Exemple 1 : stabilité d’un bâtiment

Une remise en cause de dernière minute de la stabilité, en cours de construction, d’un bâtiment d’habitation, prévient d’un effondrement assuré.


Description de la structure

La couverture d’un vaste hall comportait dans sa partie centrale une alternance de grands bacs en béton précontraint de 12 m de long et de voûtes translucides, et sur ses côtés une dalle en béton, l’ensemble étant porté de chaque côté par de grandes consoles de 5,40 m de porte-à-faux, reliées à deux « bâtiments-culasses ». L’un de ces bâtiments était à simple rez-de-chaussée et sa stabilité avait été correctement assurée. L’autre bâtiment était un immeuble mixte de bureaux et habitations de dix-huit étages sur rez-de-chaussée (cf. Fig. 4).

Hall d'un bâtiment d'habitation - Désorde du béton armé

Fig. 4Hall d’un bâtiment d’habitation.

Les deux rez-de-chaussée étaient réalisés, ainsi que les consoles et dalles latérales du hall, quand le maître de l’ouvrage demanda que la toiture de ce hall soit immédiatement achevée, avec grands bacs et voûtes translucides, de manière à pouvoir l’occuper et y exercer son commerce.

L’architecte demanda par sécurité l’avis de l’ingénieur-conseil, auteur du projet.

Ce dernier était passé sur un autre projet. Il tarda à examiner la question. Ce fut le bureau de contrôle qui attira l’attention sur le fait que l’ouvrage ainsi réalisé n’aurait pas été stable.


Causes de l’instabilité

En effet, les consoles côté bâtiment s’enracinaient dans des noeuds où devaient aboutir :

  • un poteau par ses tronçons de rez-de-chaussée et de premier étage de section confortable en raison des dix-huit étages à porter ;
  • et une poutre de plancher prolongeant la console.

Le moment de flexion fort important apporté par chaque console devait être repris suivant la figure 4b, à raison de 45 % dans chaque tronçon du poteau et 10 % seulement par la poutre de plancher.

En l’absence du tronçon supérieur du poteau et de sa charge, le moment dans le tronçon inférieur était majoré de 50 % et celui dans la poutre était… triplé.

Les sections de béton et d’armatures n’étaient pas prévues pour cela, et l’on pouvait prédire sans grand risque de se tromper que, après une sévère déformation d’adaptation qui aurait rendu le poteau inutilisable, les bacs de toiture seraient sortis de leurs appuis (cf. Fig. 4c).


Renforcements

On renforça la poutre de plancher en dénudant les aciers supérieurs par repiquage, en disposant des cadres prolongeant vers le haut les cadres existants, et en y enfermant de grosses barres de moment négatif. Puis on enduisit la surface de reprise d’un mortier de résine d’accrochage et on bétonna la surélévation de la poutre (cf. Fig. 4d).


Conclusion

Les changements dans un projet en cours de réalisation sont souvent source d’ennuis graves, par suite d’oublis ou négligences (cf. l’exemple 5).

Exemple 2 : fissuration d’un bâtiment


Description du désordre

Un bâtiment se fissure. Des renforcements onéreux préviennent à temps l’effondrement.

Les problèmes de mitoyenneté, quand il s’agit d’accoler sur sol médiocre un bâtiment nouveau à un ancien sans provoquer de désordre dans celui-ci sous l’effet de nouveaux tassements, conduisent à des solutions originales, tantôt bonnes et tantôt mauvaises.

Ici, le projeteur avait eu l’idée d’incliner en sous-sol les poteaux porteurs du mur de doublage en file A pour qu’ils rejoignent les semelles de la file voisine (cf. Fig. 5a).

Hall d'un bâtiment d'habitation - Pathologie du béton armé

Fig. 5Structure d’un bâtiment.

Comme par ailleurs, les façades devaient être traitées en « murs rideaux », les planchers portaient uniquement sur les refends, en commençant par le mur de doublage de mitoyenneté.

Les travaux en étaient arrivés au plancher haut du premier étage quand le chef de chantier, qui faisait consciencieusement tous les matins le tour de ses installations, observa que le joint de tassement réservé entre l’ancien bâtiment et le nouveau n’avait plus une épaisseur régulière : au niveau du plancher haut de sous-sol, le polystyrène qui avait servi de coffrage était à moitié écrasé. Le chef de chantier alerta son entreprise, et l’examen attentif des lieux qui suivit révéla les désordres suivants : les triangles formés par les poteaux inclinés, les poteaux verticaux adjacents et la travée de plancher intermédiaire étaient en train de basculer vers le bâtiment ancien. Un bon nettoyage révéla des fissures en face supérieure du plancher haut de sous-sol au-dessus des poteaux de la file B, et d’autres transversales dans tous les poteaux du sous-sol.

La présence du bâtiment ancien qui contrebutait avait empêché un effondrement certain.


Causes

La composante horizontale H de l’effort dans les poteaux inclinés ne pouvait être reprise dans la structure du sous-sol du bâtiment nouveau. Peut-être avait-elle même provoqué un léger glissement des semelles S.


Remèdes

il fallait réaliser une structure capable, soit de supprimer la poussée H, soit de l’équilibrer par une butée égale et opposée.

On adopta la seconde solution en ajoutant des diagonales SC mises en charge par vérin et des tirants AC.

Le maître d’ouvrage ne fut pas très satisfait, car ces adjonctions lui supprimèrent quelques places de parking en sous-sol, les largeurs prévues ne permettant plus l’ouverture des portes. Il n’usa pas de son droit de faire démolir.


Conclusion

Quand on étudie un noeud de barres non orthogonales, il est toujours utile de se rappeler le principe du « parallélogramme des forces ».

Méconnaissance des efforts

On entend parfois des raisonnements étonnants tels que celui-ci : une table posée sur deux pieds inclinés tient parfaitement d’aplomb (cf. Fig. 6a). On le voit bien en tenant une règle entre deux doigts. Inclinons le tout (cf. Fig. 6b), cela doit bien sûr tenir encore, et nous avons obtenu un poteau vertical. Dessinons l’image symétrique (cf. Fig. 6c), et les nouveaux efforts seront symétriques. Associons-les toutes deux en arc-boutant (cf. Fig. 6d) et nous avons l’image d’un hangar.

Art de démontrer qu'un arc ne pousse pas - Pathologie béton armé

Fig. 6Art de démontrer qu’un arc ne pousse pas.

Un raisonnement aussi désastreux conduit à arc-bouter des voûtes les unes aux autres et à affirmer que l’ensemble est en équilibre, du moment qu’on assure l’équilibre des travées d’extrémité par un tirant (cf. Fig. 7).

Manque de stabilité d'un ouvrage voûté - Pathologie du beton armé
Fig. 7Manque de stabilité d’un ouvrage voûté.


Exemple 3 : effondrement d’un hangar agricole au décoffrage


Description du désordre

Un hangar agricole s’effondre au décoffrage.

Chacun des deux versants symétriques était constitué de poutrelles en céramique armée, formant plancher incliné sur lequel devait être posée une toiture en tuiles canal. Un simple chaînage formait faîtage. Le tout reposait sur deux files de poteaux et deux pignons en briques creuses. L’ouvrage couvrait ainsi un rectangle de 20 × 10 m (cf. Fig. 8a et b).

Pathologie du béton armé - Hangar agricole

Fig. 8Hangar agricole.

Les tirants formés d’un Adx diamètre 25 étaient nettement insuffisants pour reprendre les poussées. De plus, ils étaient fort mal ancrés.

L’effondrement survint fort logiquement, pendant qu’on enlevait les étais qui soutenaient le faîtage.


Causes

Le hangar avait été construit dans la méconnaissance totale des règles de l’équilibre statique (cf. Fig. 8c).

Estimons à q = 75 kg/m2 la masse de la sous-toiture ainsi réalisée, constituée de deux plaques pratiquement articulées en faîtage et en sablière, de portée totale

avec : I = 10 m ;

f = 1,60 m de flèche.

Écrivons l’équilibre des forces de gauche par rapport au faîtage C où la réaction est horizontale par raison de symétrie. La stabilité de chaque versant implique en sablière une réaction verticale :

V = ql/2 = 75 × 10/2 = 375 daN/m

et deux réactions horizontales antagonistes, l’une en faîtage et l’autre en sablière, de :

H = ql2 /8f = 75 × 100/8 × 1,60 = 585 daN/ml.

Dans des voûtes correctement réalisées, cette poussée est reprise par une poutre noyée dans la voûte, et reportée ainsi aux tirants. À supposer que la céramique armée ait pu, par « effets de voûte », reporter ces efforts sur 5 m de chaque côté, c’est 585 × 5 = 2 925 daN que devait reprendre chaque tirant. Or la transmission des efforts n’y était pratiquement pas assurée (cf. Fig. 8d).

Et il restait encore à poser les tuiles, d’un type assez lourd. En outre, l’ouvrage devait encore pouvoir résister à la neige et au vent.


Conclusion

Inventer un nouveau type de construction est toujours hasardeux.

Exemple 4 : fissuration de voûtes au décoffrage


Description du désordre

Des voûtes se fissurent gravement au décoffrage.

Ce sinistre est déjà ancien, mais il convient de le citer en exemple pour convaincre de la fausseté d’un raisonnement malheureusement assez répandu.

On avait construit une série de quatre voûtes sur poteaux pour constituer un abri en bordure d’une cour, et l’on n’avait équipé de tirants que les deux voûtes d’extrémité (cf. Fig. 9a).

Série de voûtes et pathologie du béton armé

Fig. 9Série de voûtes.

Par bonheur, les voûtes étaient solidaires d’un mur de fond, et cela les sauva du désastre (cf. Fig.9b).

Peu après le décoffrage, des fissures largement ouvertes apparurent en intrados au droit des clés de voûtes intermédiaires.


Causes

On avait commis l’erreur de raisonnement évoquée plus haut. L’économie des tirants intermédiaires était tellement minime que le projeteur ne pouvait même pas l’évoquer pour se disculper.

Les voûtes se seraient certainement écroulées si le mur du fond n’avait apporté une action stabilisatrice en empêchant l’ouverture en éventail que devait provoquer l’aplatissement des voûtes (cf. Fig. 9c).


Conclusion

On ne doit pas compter deux fois les efforts lorsque cela arrange. H. Freyssinet disait : « On ne peut pas monter au ciel en se tirant par les cheveux ».

Exemple 5 : effondrement d’un bâtiment en fin de travaux

Parfois l’appréciation du comportement des matériaux passe par un arrêt des études, et leur reprise par une autre personne qui n’en ressaisit pas tous les éléments.

Un bâtiment s’effondre, une fois la dernière tuile posée.


Description du désordre

Un propriétaire avait fait construire un bâtiment à deux niveaux, dont la toiture devait être portée par une charpente métallique de type classique à deux versants. Les fermes, de forme traditionnelle à tirant, devaient reposer sur des poteaux en béton armé dimensionnés pour résister à la charge et au vent soufflant sur l’étage (cf. Fig. 10a).

Ma Série de voûtes et pathologie du béton armé - Pathologie du béton armé

Fig. 10Manque de stabilité d’un ouvrage voûté.

La charpente n’était pas encore posée quand ce propriétaire mourut ; l’architecte aussi.

Le nouveau propriétaire trouva plus économique de remplacer la charpente par des portiques en béton armé à trois articulations sans tirant, en vogue à l’époque (cf. Fig.10b). Comme il trouvait déjà sur place des poteaux de dimensions rassurantes, il commanda des portiques amputés de leurs poteaux et les fit poser sur les poteaux existants (cf. Fig.10c).

On posa les pannes, chevrons, liteaux et la couverture en tuiles. Puis, tout l’étage s’effondra.


Causes

La liaison réalisée entre poteaux et arbalétriers en béton armé ne pouvait guère transmettre le moment de continuité.

Dès lors, un moment considérable devait se développer en pied des poteaux, dans une section qui n’était pas calculée pour ces efforts.


Conclusion

Il convient de toujours s’intéresser de très près aux existants sur lesquels on s’appuie.

Instabilité mécanique – Flambage

Au temps où tous les calculs de béton armé se faisaient à la règle, à partir de formules obligatoirement simples, valables pour des formes simples, le projeteur avait tendance à donner à son ouvrage les mêmes formes simples de manière à ce que son comportement soit le plus proche possible de celui qu’il calculait. Et il faisait bien.

Mais dans beaucoup de cas, il perdait l’énorme avantage qu’offre gratuitement l’hyperstatisme dû au monolithisme du matériau. Il faisait parfois dépenser beaucoup d’argent dans la réalisation d’articulations, pour la seule raison qu’il ne savait pas calculer s’il y avait continuité.

Une telle démarche évitait sans doute quelques fissurations, mais elle était parfois préjudiciable à la stabilité d’ensemble et certains projeteurs, atteints de cette maladie que l’on appelait « articulite », connurent des déboires, parfois cuisants.

Exemple 6 : effondrement d’une façade possédant une large ouverture


Description du désordre

Une façade de garage à large ouverture en rez-de-chaussée s’effondre.

Le garagiste souhaitait, avec juste raison, une très large ouverture sur la rue pour faciliter la manoeuvre des véhicules.

L’architecte projeta donc de faire reposer la façade sur une poutre de 15 m de long appuyée sur deux poteaux, l’un de largeur confortable car il délimitait un bureau, l’autre à amincir au maximum, car il se trouvait devant un pignon.

Le projeteur conçut une poutre de 25 × 110 cm, utilisant toute la hauteur possible, et l’arma fort correctement, avec chapeaux se retournant dans le gros pilier. L’autre fut traité comme un poteau ordinaire (cf. Fig. 11a).

Pathologie du béton armé - Façade de garage.

Fig. 11Façade de garage.

Vers la fin de la construction, l’ouvrage s’effondra.


Causes

L’examen des décombres révéla que le pilier mince avait fléchi vers l’extérieur (cf. Fig.11b).

Sous les charges, la poutre avait pris sa flèche, avec rotation aux appuis et communiqué cette rotation au petit pilier. Celui-ci, réduit à une section qui atteignait déjà la contrainte admissible sous charge centrée, ne pouvait supporter le moment de flexion supplémentaire issu de la rotation et les contraintes atteignirent la rupture.

Le sinistre ne se serait sans doute pas produit si le petit pilier avait été équipé de deux articulations.


Conclusion

Dans les problèmes de flambage plus qu’ailleurs, les calculs doivent cerner la réalité au plus près.

Exemple 7 : effondrement d’une toiture comprenant de grandes poutres porteuses

L’ordinateur et ses programmes de calcul « aux éléments finis », aux « équivalences » ou suivant d’autres méthodes modernes, permettent heureusement aujourd’hui de calculer n’importe quelle forme d’ouvrage, jusqu’aux plus compliqués. Mais ces calculs coûtent très cher et ne sont employés que lorsque cela en vaut la peine. Dans les autres cas, la bonne vieille méthode consistant à encadrer la structure réelle par deux exemples de structures accessibles au calcul simple, et à dimensionner et ferrailler selon l’enveloppe des deux résultats, reste bien valable.


Description du désordre

Une vaste toiture comportant de grandes poutres porteuses en bow-string s’effondre le jour de la réception des travaux.

Cette toiture, d’une conception très originale, devait couvrir un vaste garage de 69 × 36 m, avec seulement deux poteaux intermédiaires (cf. Fig. 12a). Le même principe était d’ailleurs repris pour une extension plus vaste encore, dont la construction était en cours.

Couverture comportant des grandes poutres - désordres du béton armé

Fig. 12Couverture comportant des grandes poutres.

Les mailles étaient de 34,40 × 11,90 m et comportaient :

  • les grandes poutres bow-string en cause, de 34,40 m de portée, avec suspentes tous les 5 m (cf. Fig. 12b et c) ;
  • des poutres rectangulaires de 11,90 m de portée ;
  • des voûtes de 5 m de portée avec lanterneau longitudinal, reposant sur ces poutres.

Les arcs des bow-strings de file intermédiaire présentaient en clé une section en té, avec table de 1 m de large ; ceux de files extrêmes avaient une section en cornière, la table ayant été supprimée d’un côté, pour ne pas déborder des limites de propriété. Vers les naissances, les tables se rétrécissaient progressivement pour disparaître complètement, laissant une section de 22 cm de large à chaque extrémité sur 6,50 m de long.


1re phase de l’effondrement

Le sinistre aurait commencé par le déversement des arcs B1 et A1 l’un vers l’autre. Quelles en furent les causes ? On peut évoquer plusieurs facteurs concomitants sans pouvoir apprécier leur importance.

Pour ce qui est de l’arc B1, il y eu (cf. Fig. 12d) :

  • sa section dissymétrique, qui déviait la ligne des compressions de 9 cm vers l’intérieur ;
  • la flexion des poutres porteuses des voûtes. Leur section n’était que de 22 × 50 cm pour une portée de 12 m. La flèche calculée sous les seules charges existantes avoisinait 1/500e de la portée et l’angle de rotation en rive : 1/100 rad, provoquant un faux aplomb de 6 cm en clé ;
  • peut-être aussi un faux aplomb d’origine dans cet ouvrage singulièrement fragile ;
  • le fluage, un coup de vent…

Une fois le déversement amorcé pour B1, la toiture s’affaissa sur cette ligne, pivotant autour du tirant de l’arc A1 et faisant pivoter cet ensemble vers elle. Puis l’écroulement se poursuivit jusqu’à B3.


2e phase de l’effondrement

Une fois anéantie la toiture entre A1 et B1, un éclatement se fit entendre, attirant l’attention sur l’arc A4. Une importante fissure de 2 m de long venait d’apparaître au noeud d’accrochage d’une suspente (cf. Fig. 12e).

Le développement de cette fissure fut lent et donna cette fois aux visiteurs le temps de se mettre à l’abri. Au bout de trois heures, la suspente rompit son ancrage, la toiture se disloqua et toute la toiture entre B2 et B4 s’abattit à son tour.

On peut évoquer ici :

  • un ancrage tout à fait insuffisant des armatures de la suspente dans l’arc, la position de ces aciers n’étant d’ailleurs pas conforme au plan. Il eût fallu les remonter jusque dans les fibres supérieures de l’arc pour permettre à des bielles de reprise de se développer dans le béton (cf. Fig. 12f) ;
  • une forme parabolique des arcs qui ne suivait pas le funiculaire en ligne polygonale, de sorte que s’y développaient des moments qui réduisaient les compressions (ou développaient peut-être des tractions) en intrados au droit des suspentes, favorisant l’ouverture de fissures.


Autres erreurs

L’examen de l’ouvrage permit de déceler d’autres erreurs :

  • les armatures longitudinales des arcs n’étaient pas à leur place : le premier lit inférieur était à 7 cm de l’intrados et l’autre à 15 cm ; certaines barres supérieures étaient à 10 cm de l’extrados ;
  • les armatures des suspentes arrivaient, en bas, de part et d’autre des armatures de tirant, sans s’y ancrer correctement ;
  • la table des arcs était insuffisamment cousue à la nervure, alors qu’il y avait une surface de reprise à cet endroit.


3e phase du sinistre

Dans la zone d’extension en cours de construction :

  • la bande entre arcs A8, A9, A 10 et B8, B9, B10, réalisée la première, subit un notable déplacement, sous la poussée probable des autres bandes et de leurs échafaudages ;
  • la bande entre arcs A5, A6, A 7 et A8, A9, A 10 n’était encore qu’amorcée ;
  • la bande entre arcs B5, B6, B7 et A5, A6, A 7 se fissura amplement. Mais encore échafaudée, elle ne s’écroula pas.

On décida de tout démolir.


Conclusion

Un ouvrage d’allure exceptionnelle implique une étude et une exécution de très haute qualité. Dans un « château de cartes », toutes les cartes jouent un rôle capital.

IV Chocs et vibrations


Prévenir les chocs

Un ouvrage près duquel manoeuvrent des véhicules est évidemment amené à recevoir tôt ou tard l’impact de l’un d’eux au cours d’une fausse manoeuvre (garages à camions ; abris d’autobus ; entrepôts équipés d’engins motorisés, auvents de gares, etc.). Il convient donc d’apprécier la force d’impact prévisible et de prémunir l’ouvrage contre cette force (cf. Fig. 13).

Choc de roue au pied d'un bâtiment et désordre du béton armé

Fig. 13Choc de roue au pied d’un bâtiment.

Exemple 8 : effondrement d’un abri d’autobus


Description du désordre

Il s’agissait d’un auvent supporté par une file unique de poteaux de section réduite à la base. L’ouvrage n’était pas prévu pour résister à d’autres forces horizontales que le vent et, de plus, les aciers des poteaux étaient placés avec un trop grand recouvrement.

En outre, les services techniques de la ville avaient demandé une hauteur libre de 4 m, et elle ne faisait que 3,60 m.

Un gros camion-remorque chargé de lourdes pièces de bois se trompa de direction et eut à faire demi-tour à cet endroit. Un agent de la circulation verbalisa, puis guida la manoeuvre. Mais en reculant, le haut du chargement heurta le haut de l’auvent. Celui-ci s’abattit et l’agent, posté là, fut tué.


Conclusion

Un ouvrage doit résister, non seulement aux efforts de service, mais aussi aux efforts accidentels normalement prévisibles.

L’imposition des gabarits routiers aux ouvrages concernés relève de la logique et doit être respectée.

Exemple 9 : effondrement d’un abri d’autobus


Description du désordre

Un abri d’autobus s’effondre.

Il s’agissait d’un abri-type (2 m × 4 m) destiné aux usagers des transports en commun, comme l’on rencontre dans toutes les grandes villes…

Implanté le long d’un boulevard où se déroulaient très souvent les manifestations, des badauds, une quinzaine, afin de mieux voir ce qui se passait étaient grimpés, par l’intermédiaire de branches d’arbres, sur le toit de cet abri calculé pour des surcharges d’exploitation bien moindres (surcharge neige et vent + exploitation maintenance).

Le résultat ne s’est pas fait attendre, la structure métallique s’est effondrée, écrasant les personnes accumulées en dessous.

La société de transport en commun a été condamnée pour le motif d’une mauvaise appréciation du risque de surcharge sur le toit de l’abri.


Conclusion

Toute construction doit être vérifiée au calcul dans la situation « enveloppe » la plus défavorable. Dans notre exemple, c’était au maître d’ouvrage de prendre toutes les dispositions pour éviter au public d’accéder à la toiture afin de respecter le cahier des charges.

Ce cas d’espèce est très courant, aussi, l’inventaire des efforts et surcharges diverses doit être en harmonie avec la réalité durant la vie de l’ouvrage.

Beaucoup plus délicate est l’appréciation des vibrations dont l’ouvrage sera le siège et des suppléments de contraintes qui peuvent en découler (machines tournantes, circulation de véhicules).

Des modèles mathématiques utilisables sur gros ordinateurs logiciels de calculs dynamiques de structures sont capables d’apprécier les périodes propres des ouvrages. Quand on connaît celle de la force excitatrice (machine tournante), il est dès lors relativement aisé de concevoir son support, aussi complexe soit-il, de manière qu’il ne risque pas d’entrer en résonance. Il est cependant prudent de réserver par des fers en attente, la possibilité de le raidir davantage par de nouvelles diagonales ou d’autres renforts, et surtout d’autres dispositions constructives réglementaires.

Mais lorsque la ou les périodes propres de la force excitatrice ne sont pas connues, on est complètement dans l’inconnu.

Tel est le cas du vent, et les grands ouvrages dont le principal problème de stabilité relève du vent, tels que les cheminées d’usines et les aéro-réfrigérants, en subissent parfois les conséquences. D’après les essais en soufflerie et les accidents assez spectaculaires que l’on eut à déplorer, il semblerait que la réglementation visant ces ouvrages conduit à un dimensionnement convenable lorsqu’ils sont isolés. Mais les perturbations que causent ces énormes masques à l’écoulement de l’air provoquent des turbulences qui peuvent mettre en danger, si on ne les renforce, des réfrigérants situés trop près « sous le vent ».

Exemple 10 : effondrement d’aéroréfrigérants sous le vent


Description du désordre

Fin décembre 1999, une tempête historique (vents à 180 km/h en plaine) a traversé par deux fois la France dans le sens « ouest-est ». D’énormes dégâts ont été recensés : la réglementation a dû être modifiée par la suite.

Trois grands aéro-réfrigérants de 100 m de haut s’effondrent un jour de grand vent.

Tous les spécialistes connaissent ce sinistre spectaculaire et il n’y a pas lieu ici d’en taire le lieu et l’époque. Cela se passa le 1er novembre 1966 en Angleterre, dans le Yorkshire.

Le CEGB venait de faire construire, pour sa nouvelle centrale d’électricité de Ferrybridge, huit réfrigérants qui constituaient à l’époque des records de grandeur.

Ces énormes cheminées étaient disposées par quatre sur deux rangs, assez serrées les unes contre les autres (cf. Fig. 14a).

Ensemble d'aéroréfrigérants pathologie béton armé

Fig. 14Ensemble d’aéroréfrigérants.

Ce jour-là, le vent soufflait en tempête ; les rafales atteignaient 130 km/h.

Bien que les réfrigérants aient été calculés pour résister à des vents de 180 km/h, trois s’écroulèrent, et ces trois-là étaient abrités du vent par d’autres qui résistèrent.


Les effets du vent

Les enquêteurs se trouvaient là devant un cas très prometteur en enseignement : ces huit ouvrages, identiques en conception, dimensionnement, ferraillage, matériaux, réalisation, venaient de passer un dur moment. Si trois d’entre eux étaient tombés, alors que les cinq autres étaient restés debout (en passant probablement fort près de leur limite de résistance), c’est que quelque chose les différenciait, et ce quelque chose ne pouvait être que le vent.

Il n’est donc pas toujours vrai qu’un ouvrage masqué du vent par un autre s’en trouve abrité. C’est le contraire qui se produisit : la ligne de réfrigérants « au vent », formant obstacle, avait réduit la section d’écoulement, entraînant des accélérations, des turbulences en arrière, et produisant un vent plus dangereux pour les obstacles suivants.

C’est d’ailleurs ce que montrèrent tous les essais en soufflerie réalisés depuis cette date et il arrive que, dans l’étude de réfrigérants groupés, on dimensionne plus sévèrement ceux qui doivent être fouettés en second par des vents dominants violents.

On observa aussi que les règlements britanniques de l’époque donnaient un vent « normal » relativement faible, et ne prescrivaient aucune vérification sous vent « extrême » majoré de coefficients dynamiques.


Autres imperfections

Les réfrigérants de Ferrybridge présentaient d’autres causes de faiblesse.

L’entrepreneur n’avait pas réalisé exactement le profil de «méridienne» prévu. Le fait de changer de pente à chaque « levée » est compliqué. Au lieu de donner la courbure nécessaire à la stabilité, il avait « tiré droit », transformant toute la moitié inférieure de l’ouvrage en tronc de cône (cf. Fig. 14b). Du reste, la tour lui paraissait ainsi plus trapue et plus solide. En fait, en augmentant les circonférences de seulement quelques décimètres, il avait nui considérablement à la résistance au vent ;

Les calculateurs de l’époque avaient le souci fort louable de réaliser des ouvrages proches des calculs qu’ils savaient faire.

Or, on ne savait calculer ces énormes cheminées aux épaisseurs de « coquille d’oeuf » que comme des « membranes », travaillant en compression – traction – cisaillement. On ne savait pas prendre en compte les flexions et l’on s’arrangeait pour qu’il n’y en ait point : le voile, en partie courante, ne mesurait que 8 à 10 cm d’épaisseur et l’armature était concentrée en une nappe croisée, à mi-épaisseur.

Aujourd’hui, l’informatique aidant, l’ouvrage profite amplement du supplément de résistance apporté par une épaisseur de béton plus grande (jusqu’à 20 ou 30 cm en section courante pour les très grandes tours) et deux nappes d’armatures croisées.


Conclusion

Les Britanniques tirèrent de cette « expérience en vraie grandeur » la leçon que, pour un temps, il ne convient pas de construire plus haut et ils limitèrent réglementairement à 100 m la hauteur de leurs aéroréfrigérants. Les suivants furent bien entendu réalisés avec plus de soin et un plus fort dimensionnement.

On augmenta aussi la sévérité de la réglementation sur le vent.

Mais il subsiste dans ce pays une génération d’ouvrages d’une faiblesse relative. Un quatrième s’est effondré dans le Merseyside en janvier 1984, par une tempête à rafales de 180 km/h.

Fort heureusement, quand un réfrigérant s’effondre, les décombres tombent verticalement, sans «polluer» l’environnement, autrement que par un épais nuage de poussières. Il suffit donc, quand le vent est trop fort, d’éviter de s’approcher trop près des réfrigérants de la génération de Ferrybridge.

Variations dimensionnelles incompatibles

Variations dimensionnelles incompatibles au support


Retrait et dilatation

Le béton, comme tous les matériaux poreux, est sujet à des variations dimensionnelles quand changent son hygrométrie et sa température.

Le séchage à partir de la pâte que constitue le béton frais produit le retrait, qui est le phénomène majeur. Puis, toute ré-humidification, toute élévation de température produit une dilatation. Dans les zones fragiles et exposées au soleil et au froid comme celles des toitures-terrasses, ces mouvements sont causes de fissurations s’ils sont trop importants.

B. Exemple 11 : désordres possibles d’une toiture-terrasse

Les recommandations techniques issues des DTU relatifs aux toitures-terrasses permettent aujourd’hui d’éviter les fissurations d’hier.

La figure 15 illustre les multiples désordres que peut causer une toiture-terrasse.

Désordre du béton armé - Toiture-terrasse

Fig. 15Toiture-terrasse.

Effet de bilame


Gonflement de la terre cuite

La terre cuite est, elle aussi, un matériau poreux. Comme elle sort du four de cuisson complètement anhydre, elle va réabsorber de l’humidité pour se mettre en équilibre avec l’air ambiant et… gonfler.

La réglementation relative à ce matériau impose une limite à ce gonflement. Il n’empêche que lorsqu’on juxtapose béton et terre cuite (plancher à hourdis creux, mur de briques sur soubassement béton, cloison entre murs banchés, etc.), les déformations contraires des deux matériaux induisent des contraintes tangentes qui peuvent aller jusqu’à cisailler le matériau le plus faible (cf. Fig. 16) si A se dilate plus que B, les désordres risquent de se produire dans la zone grisée.

L'effet de bilame et la pathologie du béton armé

Fig. 16Effet de bilame.


Exemple 12 : effondrement d’un plancher en hourdis céramique

La terre cuite est, comme chacun sait, l’un des matériaux les plus anciens. Sa fabrication a suivi, durant ces dernières décennies, l’évolution accélérée des techniques, et il s’en est suivi des perfectionnements et aussi des déboires.

Tout d’abord, les progrès obtenus dans la régularité de cuisson et dans la qualité assurée du produit, ont permis d’alléger les sections.

Ensuite, on associa la terre cuite au béton pour constituer des planchers à hourdis creux.

Or le béton fait du retrait en séchant, et la brique gonfle lentement en retrouvant un équilibre hygroscopique depuis son état anhydre à la sortie du four.


Premier sinistre : chute de hourdis dans une chaufferie

Le local était couvert par un plancher-terrasse de 7 × 8 m, réalisé en béton avec hourdis creux en céramique et enduit-ciment en sous-face (cf. Fig. 17a).

La chaufferie fonctionnait depuis quatre ans, quand les voiles inférieurs des hourdis se détachèrent et tombèrent, sur une bande de 1 m de large, tout le long de la façade arrière. La céramique s’était rompue aux angles de raccordement entre voiles horizontaux et verticaux (cf. Fig. 17b).


Causes

La zone effondrée était léchée en permanence par une circulation de vapeur sortant d’un bac à eau chaude et s’évacuant par les orifices de façade. Il s’ensuivait dans la céramique une température élevée et une humidification progressive et ces deux phénomènes provoquaient son gonflement, tandis que la dalle supérieure en béton avait fait progressivement son retrait et subissait le froid de l’hiver, deux phénomènes provoquant un raccourcissement.

Il s’en est suivi un effet de « bilame » provoquant des efforts tangents et la rupture s’est évidemment produite dans la section la plus faible (souvent affaiblie aussi par des micro-fissures originelles).

Ajoutons un phénomène supplémentaire : la céramique, de médiocre qualité, contenait des inclusions de grains de chaux. Ceux-ci gonflèrent lentement à l’humidité, provoquèrent des éclatements locaux dans le matériau, et l’affaiblirent. La lenteur de la pénétration d’humidité et de la réaction chimique explique le délai au bout duquel s’est produit l’accident.


Second sinistre : chute de hourdis dans un bâtiment d’habitation en construction

La cuisson accélérée de la céramique a conduit, à une certaine époque, à réaliser un matériau fragile, aux tensions internes mal contrôlées générant des microfissurations.

Bien vite heureusement, on rectifia le procédé.

Mais certains produits en arrivaient alors à se cisailler sous le simple effet du retrait du béton et des flexions locales, lorsque leur longueur dépassait 60 cm (cf. Fig. 17c).

Plancher en hourdis de céramique - pathologie béton armé

Fig. 17Plancher en hourdis de céramique.


Conclusion

Le voisinage du béton et de la céramique implique une bonne qualité de cette dernière : absence d’inclusions de grains de chaux, et gonflement de réhydratation limité.



Configuration requise
Windows

PC de type (Pentium II, 300 Mhz, 600 Mhz recommandé), 64 Mo de Ram (128 Mo recommandé), Windows 98/NT/ME/2000/XP/Vista/Seven, 36 Mo d’espace disque disponible, lecteur CD-Rom 4x, affichage 65 536 couleurs minimum.

Mac

PowerMac 533 Mhz (733 Mhz recommandé), 256 Mo de RAM (512 Mo recommandé), Mac OS X 10.2, 36 Mo d’espace disque disponible, lecteur CD-Rom 12x, affichage 65 536 couleurs minimum.