Chap4 : Les charpentes en béton armé

# Chap4 : Les charpentes en béton armé ## Différentes techniques-Coffrage ### Introduction Le coffrage est une étape cruciale dans la construction en béton armé. Il s'agit d'une structure temporaire qui a pour rôle de contenir le béton frais et de lui donner la forme et les dimensions désirées jusqu'à ce qu'il ait atteint une résistance suffisante. Comprendre les différentes techniques de coffrage est essentiel pour garantir la qualité, la sécurité et l'efficacité des ouvrages en béton armé. ### Concepts Clés #### Qu'est-ce que le Coffrage ? * **Définition**: Le coffrage est un moule temporaire, généralement en bois, en métal ou en plastique, utilisé pour contenir le béton frais jusqu'à sa prise et son durcissement. Il assure que l'élément en béton armé aura la forme, les dimensions et la position prévues. * **Rôle**: Le coffrage supporte les charges du béton frais, du ferraillage, des ouvriers et des équipements pendant la phase de coulage et de prise. #### Exigences Fondamentales d'un Bon Coffrage Un coffrage doit respecter plusieurs exigences pour assurer la qualité de l'ouvrage et la sécurité du chantier : * **Résistance**: Il doit être capable de supporter les charges du béton frais, les surcharges d'exploitation (ouvriers, équipements), les vibrations dues au compactage et les forces du vent sans se déformer ni rompre. * **Rigidité**: Les déformations du coffrage doivent être minimales pour garantir que les dimensions finales de l'élément en béton soient conformes aux plans. * **Étanchéité**: La peau de coffrage doit être suffisamment étanche pour éviter les fuites de laitance (le mélange eau-ciment), ce qui affaiblirait le béton et altérerait sa surface. * **Facilité de mise en œuvre et de décoffrage**: Le montage et le démontage du coffrage doivent être simples, rapides et sûrs afin de réduire les coûts de main-d'œuvre et les délais. * **Économie**: Le coût total du coffrage (matériaux, main-d'œuvre, réutilisation) doit être optimisé. * **Sécurité**: La conception et la mise en place du coffrage doivent assurer la sécurité des travailleurs et éviter tout risque d'effondrement. #### Matériaux de Coffrage Le choix du matériau dépend de l'ouvrage, de la réutilisation souhaitée et de la finition de surface recherchée. * **Coffrage en bois (traditionnel)**: * **Matériaux**: Planches de bois, bastaings, madriers, contreplaqués (CTBX pour l'extérieur, CTBC pour l'intérieur). * **Avantages**: Facilité de découpe et d'adaptation aux formes complexes, coût initial relativement faible pour des petites surfaces. * **Inconvénients**: Réutilisation limitée (peu de cycles), absorption d'eau entraînant des déformations, surface du béton souvent moins lisse. * **Coffrage métallique (modulaire)**: * **Matériaux**: Acier ou aluminium, sous forme de panneaux modulaires avec ossature et peau en tôle. * **Avantages**: Grande résistance, nombreuses réutilisations, surface lisse et homogène du béton, rapidité de montage et de démontage. * **Inconvénients**: Coût initial élevé, poids important (nécessite des moyens de levage), moins adapté aux formes très complexes ou non standardisées. * **Coffrage en plastique (composite)**: * **Matériaux**: PVC, polypropylène ou autres polymères. * **Avantages**: Léger, résistant à l'eau, réutilisable, bonne finition de surface, facile à nettoyer. * **Inconvénients**: Moins robuste que le métal, peut être plus sensible aux chocs et aux températures extrêmes. * **Coffrages spéciaux ou perdus**: * **Exemples**: Polystyrène expansé (pour des formes complexes ou isolation), blocs de coffrage isolants (restent en place et servent d'isolant), tubes en carton pour poteaux circulaires. * **Intérêt**: Simplifier certaines formes, intégrer une fonction thermique ou acoustique, ou accélérer la construction en évitant le décoffrage. #### Types de Coffrage (selon la technique de mise en œuvre) * **Coffrage traditionnel**: Assemblé pièce par pièce sur le chantier avec des éléments en bois. Utilisé pour des ouvrages uniques ou des petites surfaces. * **Coffrage modulaire**: Utilise des panneaux préfabriqués de dimensions standardisées, assemblés rapidement par des systèmes de verrouillage. Idéal pour les ouvrages répétitifs (voiles, dalles, poteaux). * **Coffrage grimpant (ou autogrimpant)**: * Utilisé pour la construction de structures verticales de grande hauteur (noyaux d'immeubles, silos, cheminées). * Le coffrage est monté en plusieurs étapes successives (par 'passes'), en se hissant sur l'ouvrage déjà coulé et durci. Il est souvent aidé par des vérins hydrauliques. * Permet un cycle de travail continu et réduit le besoin d'échafaudages indépendants. * **Coffrage glissant**: * Technique de coffrage continu pour des structures verticales ou horizontales longues (cheminées, silos, murs de soutènement, tabliers de ponts). * Le coffrage est déplacé en continu, lentement et verticalement ou horizontalement, pendant que le béton est coulé et compacté. La prise du béton est contrôlée pour permettre au coffrage de glisser sans endommager la surface. * **Coffrage tunnel**: * Permet de couler simultanément des voiles (murs) et des dalles (planchers) d'une cellule d'habitation ou d'un tronçon de bâtiment. * Très efficace pour les constructions répétitives comme les logements collectifs. Le coffrage est un grand moule en acier qui se déplace horizontalement d'une cellule à l'autre. * **Coffrage perdu**: Le coffrage n'est pas retiré après la prise du béton, il reste intégré à l'ouvrage. Il peut avoir un rôle structurel (blocs de coffrage), isolant (polystyrène), ou de finition. #### Composants du Coffrage Un système de coffrage est composé de plusieurs éléments essentiels : * **Peau de coffrage**: La surface directement en contact avec le béton. Elle détermine la finition de l'élément en béton. * **Ossature**: Les éléments porteurs (montants, entretoises, goussets) qui soutiennent la peau de coffrage et transmettent les charges aux supports. * **Supports**: Étais, tours d'étaiement, poutrelles qui reprennent les charges verticales et les transmettent au sol ou à la structure inférieure. * **Contreventements**: Dispositifs (par exemple, des diagonales) assurant la stabilité latérale du coffrage et l'empêchant de basculer ou de se déformer latéralement. * **Tiges de serrage et entretoises**: Elles maintiennent l'écartement des joues du coffrage pour garantir l'épaisseur de l'élément en béton et résistent à la pression latérale du béton frais. ### Vocabulaire * **Coffrage**: Structure temporaire qui moule le béton frais. * **Béton armé**: Béton renforcé par des barres d'acier (armatures). * **Étai**: Poteau réglable utilisé pour supporter le coffrage de dalles ou de poutres. * **Laitance**: Liquide pâteux composé de ciment, d'eau et de fines, qui peut s'échapper d'un coffrage non étanche. * **Décoffrage**: Opération qui consiste à retirer le coffrage après la prise et le durcissement du béton. * **Contreplaqué**: Panneau constitué de fines couches de bois collées entre elles, souvent utilisé pour la peau de coffrage. * **Voile**: Mur porteur en béton armé. * **Dalle**: Plancher en béton armé. * **Bastaing**: Pièce de bois de section rectangulaire, utilisée comme élément d'ossature ou support dans le coffrage. ### Exemples 1. **Coffrage d'une fondation isolée**: Généralement réalisé avec des planches de bois assemblées sur place pour former un cadre simple. Une fois le béton coulé et pris, les planches sont retirées. 2. **Coffrage de poteaux d'un bâtiment**: Souvent réalisé avec des panneaux modulaires métalliques qui sont assemblés autour des armatures du poteau. Ces panneaux offrent une bonne finition et sont réutilisables de nombreuses fois. 3. **Construction d'une tour ou d'un silo**: Ces ouvrages de grande hauteur utilisent très fréquemment le **coffrage grimpant** ou le **coffrage glissant**. Le coffrage monte progressivement ou en continu au fur et à mesure de l'élévation de la structure. 4. **Construction d'un ensemble d'appartements**: Le **coffrage tunnel** est très efficace pour couler rapidement les murs et les planchers d'un étage en une seule opération, optimisant les cycles de construction. ### Exercices 1. Quelle est la fonction principale d'un coffrage dans la construction en béton armé ? 2. Citez au moins trois exigences fondamentales qu'un bon coffrage doit respecter. 3. Comparez les avantages et les inconvénients du coffrage en bois et du coffrage métallique. 4. Expliquez la différence entre un coffrage grimpant et un coffrage glissant. Pour quels types d'ouvrages les utiliseriez-vous ? 5. Donnez un exemple de coffrage perdu et décrivez son intérêt dans la construction. ### Devoir 1. Faites des recherches sur les principaux risques liés au coffrage sur un chantier de construction et les mesures de sécurité à prendre pour les prévenir (par exemple, risques d'effondrement, de chute, de fuite de laitance, etc.). 2. Dessinez un schéma simple d'un coffrage de poutre rectangulaire. Identifiez clairement sur votre dessin les composants suivants : peau de coffrage, étais, tiges de serrage, et ossature (bastaings). 3. Calculez le volume de béton nécessaire pour couler une dalle de 6 mètres de longueur, 4 mètres de largeur et 25 centimètres d'épaisseur. Rappel de la formule du volume d'un parallélépipède : \[ V = L \times l \times h \] ### Résumé Le coffrage est une phase essentielle de la construction en béton armé, permettant de donner forme et de supporter le béton frais. Un bon coffrage doit être résistant, rigide, étanche et facile à mettre en œuvre et à décoffrer. Il existe différents matériaux (bois, métal, plastique) et techniques de coffrage (traditionnel, modulaire, grimpant, glissant, tunnel, perdu), chacun adapté à des types d'ouvrages spécifiques. La connaissance des composants et des exigences du coffrage est primordiale pour garantir la sécurité et la qualité des structures en béton armé. ## Ferraillage-Moulage ### Introduction Dans le domaine de la construction, en particulier pour les structures en béton armé, le ferraillage et le moulage sont deux étapes fondamentales qui garantissent la solidité et la durabilité des ouvrages. Le ferraillage consiste à positionner correctement les armatures en acier, qui confèrent au béton sa résistance à la traction. Le moulage, ou coffrage, permet de donner au béton sa forme et de le maintenir en place jusqu'à ce qu'il atteigne une résistance suffisante. Une exécution rigoureuse de ces étapes est cruciale pour la sécurité et la conformité de toute structure. ### Concepts Clés #### A. Le Ferraillage (Armatures) Le ferraillage est l'ensemble des armatures en acier incorporées dans le béton pour compenser sa faible résistance à la traction. ##### 1. Rôle du Ferraillage * **Résistance à la traction:** Le béton est excellent en compression mais faible en traction. L'acier, très résistant à la traction, absorbe ces efforts. * **Contrôle de la fissuration:** Les armatures aident à répartir et à limiter l'ouverture des fissures dues aux contraintes ou au retrait du béton. * **Résistance aux efforts de cisaillement et de torsion:** Les cadres, étriers et épingles sont spécifiquement conçus pour cela. ##### 2. Types d'Armatures * **Aciers lisses (Fe E 235):** Anciennement utilisés, ils offrent une faible adhérence au béton. Moins courants aujourd'hui. * **Aciers à Haute Adhérence (HA - Fe E 400, Fe E 500):** Présentent des nervures ou indentations qui améliorent considérablement l'adhérence avec le béton. Ce sont les plus couramment utilisés. * **Treillis soudés:** Panneaux d'armatures préfabriqués, constitués de fils d'acier soudés, utilisés principalement pour les dalles, voiles et radiers pour un gain de temps et une meilleure répartition. ##### 3. Disposition des Armatures * **Armatures principales:** Placées dans les zones où les contraintes de traction sont maximales (ex: partie inférieure d'une poutre en flexion simple). * **Armatures secondaires (de répartition):** Perpendiculaires aux armatures principales, elles répartissent les charges et évitent la fissuration localisée. * **Cadres, Étrier, Épingles:** Liants les armatures principales entre elles, ils sont essentiels pour reprendre les efforts tranchants et pour le confinement du béton dans les poteaux. ##### 4. Notions de Mise en Œuvre du Ferraillage * **Recouvrement:** Longueur minimale de chevauchement entre deux barres d'armature pour assurer la continuité de la transmission des efforts (longueur d'ancrage nécessaire). * **Ancrage:** Méthode pour fixer les extrémités des armatures dans le béton afin d'assurer la transmission des forces (crochets, coudes, barres droites longues). * **Espacement:** Respecter les distances minimales et maximales entre les armatures pour permettre un bon enrobage du béton et éviter la ségrégation. * **Calage:** Les armatures doivent être calées à l'aide de cales en plastique ou en mortier pour garantir l'enrobage minimal requis. #### B. Le Moulage (Coffrage) Le moulage, ou coffrage, est une enceinte temporaire ou permanente qui donne sa forme au béton frais et le soutient jusqu'à durcissement. ##### 1. Rôle du Coffrage * **Donner la forme:** Créer la géométrie désirée pour l'élément en béton. * **Maintenir le béton:** Soutenir le béton frais sous son propre poids et les pressions exercées durant le coulage et la vibration. * **Sécurité:** Assurer la stabilité de l'ensemble et la sécurité du personnel. * **Esthétique:** Contribuer à la qualité de surface de l'élément en béton. ##### 2. Matériaux de Coffrage * **Bois:** Contreplaqué, panneaux de particules, planches. Économique mais moins réutilisable et peut nécessiter un traitement pour l'étanchéité. * **Métal:** Acier, aluminium. Très résistant, réutilisable de nombreuses fois, surfaces lisses. Souvent utilisé pour les grands chantiers ou les éléments répétitifs. * **Matières plastiques:** Pour des formes complexes ou des éléments préfabriqués (ex: dalles alvéolaires). * **Coffrages perdus:** Restent intégrés à la structure (ex: bacs collaborants, blocs en polystyrène). ##### 3. Types de Coffrages * **Coffrage traditionnel:** Réalisé sur site avec des planches de bois, pour des formes non standardisées ou des petites surfaces. * **Coffrage modulaire:** Composé de panneaux standardisés (bois ou métal) faciles à assembler et démonter, très polyvalent. * **Coffrage grimpant/glissant:** Utilisé pour des structures verticales très hautes (cheminées, silos) où le coffrage monte ou glisse au fur et à mesure du bétonnage. ##### 4. Mise en Œuvre du Coffrage * **Montage:** Assemblage des éléments de coffrage, vérification de la stabilité, de la verticalité, de l'horizontalité et de la planéité. * **Étanchéité:** Assurer que le béton ne s'échappe pas par les joints, souvent avec des rubans adhésifs ou mastics. * **Huile de décoffrage:** Application d'un agent de démoulage sur les parois internes pour faciliter le décoffrage et éviter l'adhérence du béton. * **Contrôle:** Vérification des dimensions, des niveaux et de la solidité avant coulage. #### C. Coulage et Vibration du Béton Une fois le ferraillage et le coffrage en place, le béton est coulé et compacté. ##### 1. Préparation au Coulage * Nettoyage du coffrage (absence de débris, sciure). * Vérification finale du ferraillage (position, calage, propreté). * Humidification du coffrage (si en bois) pour éviter l'absorption d'eau du béton. ##### 2. Méthodes de Coulage * **À la benne:** Transport du béton par grue puis vidage dans le coffrage. * **À la pompe:** Pompagem du béton à travers des tuyaux, très efficace pour des volumes importants ou des accès difficiles. * **À la brouette:** Pour de petits volumes, moins courant sur les gros chantiers. ##### 3. Vibration du Béton * **Rôle:** Éliminer l'air occlus dans le béton, améliorer son homogénéité, garantir un bon enrobage des armatures et un remplissage complet du coffrage. * **Types de vibrateurs:** * **Vibrateur interne (aiguille vibrante):** Le plus courant, plongé directement dans le béton. * **Vibrateur externe (de coffrage):** Fixé sur les parois du coffrage, pour les éléments minces ou difficiles d'accès. * **Table vibrante:** Pour la préfabrication d'éléments. * **Précautions:** Vibrer par passes successives, éviter la survibration qui peut entraîner la ségrégation (séparation des agrégats et de la pâte de ciment). #### D. Décoffrage Le décoffrage consiste à retirer le coffrage une fois que le béton a atteint une résistance suffisante. ##### 1. Délai de Décoffrage Dépend de : * La température ambiante (le froid ralentit le durcissement). * Le type de ciment et de béton (prise rapide, résistance élevée). * La fonction de l'élément (éléments porteurs nécessitent une résistance plus élevée). * Les spécifications normatives (ex: Eurocode 2) ou du fabricant de coffrage. ##### 2. Précautions lors du Décoffrage * Opérer avec précaution pour ne pas endommager les arêtes ou la surface du béton. * S'assurer que la structure est capable de supporter sa propre charge sans le coffrage. * Nettoyer immédiatement les éléments de coffrage pour réutilisation. ### Vocabulaire Technique * **Ferraillage:** Ensemble des armatures en acier dans le béton. * **Armatures:** Barres d'acier utilisées pour le ferraillage. * **Béton armé:** Béton renforcé par des armatures en acier. * **Adhérence:** Force de liaison entre l'acier et le béton. * **Treillis soudé:** Grille d'armatures préfabriquées. * **Cadre, étrier, épingle:** Armatures transversales pour reprendre le cisaillement. * **Recouvrement:** Longueur de chevauchement de deux barres d'armature. * **Ancrage:** Fixation des armatures dans le béton. * **Enrobage:** Épaisseur de béton qui protège les armatures de la corrosion. * **Coffrage:** Moule temporaire pour le béton. * **Décoffrage:** Retrait du coffrage. * **Étanchéité:** Capacité du coffrage à retenir le béton liquide. * **Vibration:** Compactage du béton pour éliminer l'air. * **Ségrégation:** Séparation des composants du béton due à une mauvaise mise en œuvre. * **Reprise de bétonnage:** Zone de jonction entre deux coulées de béton successives. * **Fluage:** Déformation progressive du béton sous une contrainte constante sur le long terme. * **Retrait:** Réduction de volume du béton lors de son durcissement. ### Exemples Pratiques #### Exemple 1: Ferraillage d'une Poutre Simple Une poutre en béton armé, simplement appuyée, est soumise à des efforts de flexion. Les armatures principales seront placées dans la zone tendue, généralement en partie inférieure de la poutre. Des cadres (étriers) sont répartis le long de la poutre pour reprendre les efforts tranchants, plus serrés aux appuis. L'enrobage minimal est respecté pour protéger l'acier. #### Exemple 2: Coffrage d'un Poteau Carré Le coffrage d'un poteau carré peut être réalisé avec quatre panneaux modulaires métalliques ou en bois. Ces panneaux sont assemblés et serrés avec des liernes et des broches ou des tiges de serrage. Il est crucial de vérifier la verticalité (aplomb) du coffrage avant de couler le béton et d'appliquer une huile de décoffrage pour un démoulage propre. #### Exemple 3: Coulage d'une Dalle Lors du coulage d'une dalle, le béton est souvent acheminé par une pompe à béton. Il est déversé progressivement et étalé. La vibration est ensuite effectuée à l'aide d'une aiguille vibrante plongée de manière verticale et régulière, sans toucher le coffrage ni les armatures avec l'aiguille pour éviter de les déplacer. L'objectif est de s'assurer que le béton remplit bien tout l'espace et enrobe correctement les treillis soudés. ### Exercices 1. Expliquez pourquoi le béton armé est utilisé préférentiellement au béton non armé pour les structures portantes, en vous référant aux propriétés mécaniques des matériaux. 2. Décrivez le rôle des armatures transversales (cadres, étriers, épingles) dans une poutre ou un poteau. 3. Quels sont les avantages et les inconvénients de l'utilisation des coffrages modulaires métalliques par rapport aux coffrages traditionnels en bois ? 4. Lors du coulage du béton, une vibration excessive peut être néfaste. Expliquez pourquoi et décrivez les conséquences potentielles. 5. Quels sont les facteurs principaux qui influencent le délai de décoffrage d'un élément de structure ? ### Devoir à Domicile 1. Réalisez une liste de contrôle détaillée (checklist) des éléments essentiels à vérifier sur un chantier, juste avant de procéder au coulage du béton pour une poutre en béton armé. (Considérez le ferraillage, le coffrage et l'environnement). 2. Recherchez et décrivez au moins trois méthodes différentes d'ancrage des armatures (autres que le simple recouvrement) et expliquez dans quelles situations elles sont utilisées. 3. Dessinez un schéma simple d'une section de poteau en béton armé, en indiquant clairement les armatures principales longitudinales, les cadres et l'enrobage. Ajoutez des légendes pour chaque élément. ### Résumé Le ferraillage et le moulage sont des piliers de la construction en béton armé. Le ferraillage, grâce aux armatures en acier, confère au béton la capacité de résister aux efforts de traction et de cisaillement, essentiels pour la stabilité des structures. Le moulage, par l'intermédiaire du coffrage, façonne le béton et le soutient jusqu'à son durcissement. Un coulage et une vibration corrects sont impératifs pour assurer l'homogénéité du béton et l'enrobage des armatures. Enfin, le décoffrage doit être réalisé au moment opportun et avec précaution. La maîtrise de ces techniques garantit la qualité, la sécurité et la durabilité des ouvrages en béton armé.