Réalisation des ouvrages en béton armé (partie 3/4)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Réaliser en atelier ou sur chantier un élément décoratif préfabriqué en béton armé, en respectant les étapes de dosage, de ferraillage, de moulage et de finition. - Monter un coffrage et effectuer le ferraillage d’un poteau‑semelle sur place, en assurant l’aplomb, le bon ancrage des armatures et la qualité du béton coulé. - Préparer le coffrage et le ferraillage d’un escalier en béton armé (partie 1) : marches, contremarches et limons, en appliquant les règles de dimensionnement et de sécurité. - Lire et interpréter un plan de ferraillage, calculer les sections d’armature nécessaires et vérifier la conformité aux normes camerounaises (MINESEC/IGE). **Prérequis :** - Notions de résistance des matériaux (contraintes, déformations, module d’élasticité). - Lecture de plans d’exécution et de détails d’armature. - Connaissance des constituants du béton (ciment, granulats, eau, adjuvants) et de leurs proportions de base. - Règles de sécurité de base sur un chantier (port des EPI, consignes de manutention). > La préfabrication permet de contrôler la qualité du béton et de réduire les temps de séchage sur chantier. ## Introduction contextualisée Dans le secteur de la construction au Cameroun, le béton armé reste le matériau de prédilection pour les ouvrages structuraux (poteaux, poutres, dalles, escaliers) et pour les éléments décoratifs (balcons, garde‑corps, panneaux architecturaux). La maîtrise des procédés de préfabrication et de mise en œuvre sur place est donc indispensable pour les techniciens du BTP. Ce chapitre s’inscrit dans la logique du référentiel de compétences du Baccalauréat technique série F4 : il combine la théorie (dosage, calcul d’armature) à la pratique (TP en atelier ou sur chantier) afin de préparer l’élève à intervenir efficacement dès la première année professionnelle. ## I. Leçon 26 pratique: TP préfabrication d’un élément décoratif en béton armé ### A. Notions de préfabrication La préfabrication consiste à fabriquer hors site des éléments structuraux ou architecturaux qui seront ensuite transportés et installés. Elle offre : - Une meilleure maîtrise du dosage et de la cure du béton. - Une réduction des aléas climatiques. - Une amélioration de la productivité sur chantier. ### B. Étapes de réalisation d’un élément décoratif (ex. poteau carré de 30 cm × 30 cm, hauteur 2,5 m) 1. **Préparation du moule** : panneaux de bois ou de métal, démoulage facile, application d’un agent de démoulage. 2. **Ferraillage** : cage d’armature composée de 4 barres longitudinales Ø12 mm et de stirrups Ø8 mm espacés de 15 cm. 3. **Dosage du béton** : C 30/37 (ciment 350 kg/m³, sable 0‑5 mm 650 kg/m³, gravier 5‑20 mm 1150 kg/m³, eau 175 L/m³, adjuvant plastifiant 1 % du poids du ciment). 4. **Coulage** : remplissage en couches de 15 cm, vibration à l’aiguille pour éliminer les bulles d’air. 5. **Cure** : maintien humide pendant 7 jours (bâche plastifiée ou arrosage). 6. **Démoulage et finition** : retrait du moule, ponçage des arêtes, application d’un hydrofuge si nécessaire. ### C. Principes de fonctionnement et règles de sécurité - Vérifier l’aplomb du moule avant chaque coulée (niveau à bulle, fil à plomb). - Porter lunettes de protection, gants anti‑coupure et masque anti‑poussière lors du maniement de l’agent de démoulage et du ciment. - Respecter les temps de prise initiale (≈ 2 h) avant toute vibration afin d’éviter la ségrégation. ### D. Exemple chiffré : calcul du volume et du ferraillage **Données** : poteau carré 0,30 m × 0,30 m, hauteur 2,50 m. 1. **Volume de béton** : \[ V = 0,30 \times 0,30 \times 2,50 = 0,225 \text{ m}^3 \] 2. **Quantité de ciment** (dosage 350 kg/m³) : \[ m_{\text{ciment}} = 0,225 \times 350 = 78,75 \text{ kg} \approx 79 \text{ kg} \] 3. **Surface d’acier nécessaire** (armature longitudinale) : - 4 barres Ø12 mm → aire d’une barre \(A = \frac{\pi}{4} d^2 = \frac{\pi}{4} (0,012)^2 = 1,13\times10^{-4}\text{ m}^2\). - Aire totale \(A_{tot}=4 \times 1,13\times10^{-4}=4,52\times10^{-4}\text{ m}^2\). - Rapport d’armature \(\rho = \frac{A_{tot}}{A_{béton}} = \frac{4,52\times10^{-4}}{0,30\times0,30}=5,02\times10^{-3}=0,502\%\). Ce taux est conforme aux recommandations pour un poteau décoratif (0,4 % – 0,8 %). ### E. Tableau récapitulatif des paramètres | Paramètre | Valeur | Unité | |--------------------------|----------------------------|-------| | Dimensions du poteau | 0,30 × 0,30 × 2,50 | m | | Volume béton | 0,225 | m³ | | Ciment nécessaire | 79 | kg | | Eau de gâchage | 39 | L | | Ferraillage longitudinal | 4 × Ø12 mm | – | | Stirrups | Ø8 mm, espacement 15 cm | – | | Temps de cure minimale | 7 | jours | > Un taux d’armature entre 0,4 % et 0,8 % garantit une bonne résistance à la compression tout en limitant le risque de fissuration. ## II. Leçon 30 pratique: TP de coffrage et ferraillage poteau‑semelle sur place ### A. Principe du poteau‑semelle Le poteau‑semelle réunit un poteau vertical et une semelle élargie qui répartit la charge sur le sol. Il est utilisé pour soutenir des murs porteurs ou des poteaux de charpente lorsqu’une fondation superficielle suffit. ### B. Coffrage 1. **Matériaux** : planches de bois traité (épaisseur 20 mm) ou panneaux métalliques réutilisables. 2. **Assemblage** : - Semelle : coffrage carré ou rectangulaire, hauteur 15 cm, dimensions selon charge (ex. 0,60 m × 0,60 m). - Poteau : coffrage carré 0,30 m × 0,30 m, hauteur 2,50 m, fixé à la semelle par des équerres métalliques. 3. **Vérification** : aplomb du poteau (déviation < 5 mm sur 2 m), niveau de la semelle (tolérance ± 3 mm). ### C. Ferraillage - **Armature longitudinale du poteau** : 4 barres Ø16 mm, ancrées dans la semelle par des crochets de 10 cm. - **Étriers du poteau** : Ø8 mm, espacement 15 cm dans la zone de flexion (hauteur 0‑1,5 m), puis 20 cm au-dessus. - **Armature de la semelle** : treillis soudé Ø6 mm, mailles 15 cm × 15 cm, placé au centre de l’épaisseur (7,5 cm du dessous et du dessus). - **Ancrage** : les barres du poteau sont pliées en forme de L à la base pour assurer le transfert de charge vers la semelle. ### D. Coulage, vibration et cure - Béton C 25/30 (ciment 300 kg/m³, sable 680 kg/m³, gravier 1150 kg/m³, eau 175 L/m³). - Coulage en une seule passe, vibration à l’aiguille jusqu’à disparition du lait de surface. - Cure par bâche plastifiée pendant 7 jours, arrosage deux fois par jour en période chaude. ### E. Exemple chiffré : dimensionnement d’un poteau‑semelle pour une charge verticale de 150 kN **Hypothèses** : résistance caractéristique du béton fck = 25 MPa, acier fy = 400 MPa, coefficient de sécurité γc = 1,5, γs = 1,15. 1. **Surface nécessaire de la semelle** (pression admissible σadm = fck/γc = 25/1,5 ≈ 16,7 MPa) : \[ A_{semelle} = \frac{F}{σ_{adm}} = \frac{150\times10^3}{16,7\times10^6}=0,009 \text{ m}^2 \] On adopte une semelle carrée de 0,30 m × 0,30 m (A = 0,09 m²) largement surdimensionnée pour assurer la stabilité et faciliter le coffrage. 2. **Section d’acier nécessaire du poteau** (contrainte admissible σadm_s = fy/γs = 400/1,15 ≈ 348 MPa) : \[ A_s = \frac{F}{σ_{adm_s}} = \frac{150\times10^3}{348\times10^6}=4,31\times10^{-4}\text{ m}^2 \] Une barre Ø16 mm a une aire \(A = \frac{\pi}{4}(0,016)^2 = 2,01\times10^{-4}\text{ m}^2\). Il faut donc \(\lceil 4,31/2,01 \rceil = 3\) barres Ø16 mm. On en prévoit 4 pour symétrie et facilité de mise en place. ### F. Tableau récapitulatif des sections d’armature | Élément | Barres Ø (mm) | Nombre | Aire totale (mm²) | |------------------|---------------|--------|-------------------| | Poteau (longitud.)| 16 | 4 | 804 | | Poteau (étriers) | 8 | – | – (espacement 15 cm) | | Semelle (treillis)| 6 | – | – (maille 15 cm) | > Le poteau‑semelle doit être vérifié contre le basculement : le moment résistant de la semelle doit dépasser le moment de renversement dû à la charge excentrée. ## III. Leçon 32 pratique: TP de coffrage et ferraillage d’un escalier sur place (partie 1) ### A. Types d’escaliers en béton armé - Escalier droit (volée unique). - Escalier à quartier tournant (un palier intermédiaire). - Escalier hélicoïdal (rare en BTP camerounais). Dans ce TP nous traitons l’escalier droit de deux volées, chaque marche de hauteur 17 cm et de giron 28 cm. ### B. Coffrage des marches et contremarches 1. **Matériaux** : planches de bois de 20 mm d’épaisseur, clouées ou vissées sur des tasseaux de soutien. 2. **Procédé** : - Poser une première planche formant la contremarche (hauteur 17 cm). - Ajouter la planche de marche (giron 28 cm) en formant un angle droit. - Répéter pour chaque marche, en assurant le décalage de 17 cm en hauteur et 28 cm en profondeur. - Vérifier l’aplomb de chaque contremarche (niveau à bulle) et l’horizontalité de chaque marche (règle de maçon). 3. **Étaiement** : poteaux d’acier ou de bois placés sous chaque marche pour éviter la flèche pendant le coulage. ### C. Ferraillage - **Ferraillage inférieur (dans la semelle de marche)** : treillis soudé Ø6 mm, mailles 15 cm, placé à 2 cm du dessous de la marche. - **Ferraillage supérieur (dans la dalle de marche)** : barres Ø8 mm disposées transversalement tous les 15 cm, ancrées dans les contremarches par des crochets de 5 cm. - **Ferraillage des contremarches** : barres Ø8 mm verticales, espacées de 15 cm, liées au ferraillage inférieur et supérieur par des ligatures. - **Ferraillage des limons (côtés de l’escalier)** : barres Ø10 mm longitudinaux, liés aux marches par des étriers Ø6 mm tous les 20 cm. ### D. Respect des normes - NF P 01-012 (dimensionnement des marches et contremarches). - Règles camerounaises de sécurité sur les chantiers (arrêté n° 2005/023 du MINTP). - Espacement maximal entre la main courante et la marche : 9 cm (pour éviter le coincement). ### E. Exemple chiffré : calcul du ferraillage inférieur d’une marche **Données** : marche en béton C 25/30, épaisseur 15 cm, portée effective entre appuis (limons) = 1,00 m. 1. **Moment fléchissant maximal** (charge uniforme q = 25 kN/m², largeur de marche b = 0,28 m) : \[ M_{max}= \frac{q b L^2}{8}= \frac{25\times0,28\times1,00^2}{8}=0,875 \text{ kN·m}=875 \text{ N·m} \] 2. **Section d’acier nécessaire** (σadm_s = 348 MPa) : \[ A_s = \frac{M}{σ_{adm_s} \times z} \] avec bras de levier \(z ≈ 0,9 d = 0,9 \times 0,15 = 0,135\) m. \[ A_s = \frac{875}{348\times10^6 \times 0,135}=1,86\times10^{-5}\text{ m}^2 = 18,6 \text{ mm}^2 \] Un fil Ø6 mm a une aire \(A = \frac{\pi}{4}0,006^2 = 28,3\text{ mm}^2\). Le nombre de fils nécessaires est \(\lceil 18,6/28,3 \rceil = 1\). Pour des raisons de constructibilité, on adopte un minimum de 2 fils Ø6 mm dans chaque direction, espacé de ≤ 15 cm. ### F. Tableau récapitulatif des dimensions de l’escalier | Élément | Dimension | Unité | |------------------|-----------|-------| | Hauteur de marche| 0,17 | m | | Giron de marche | 0,28 | m | | Épaisseur dalle | 0,15 | m | | Largeur volée | 1,00 | m | | Nombre de marches| 12 | – | | Hauteur totale | 2,04 | m | > Le rapport hauteur/giron idéal pour un escalier confortable se situe entre 0,6 et 0,7 ; ici 0,17/0,28 ≈ 0,61, conforme. ## Synthèse du chapitre - **Préfabrication** : contrôle qualité, réduction des temps de séchage, étapes (moule, ferraillage, dosage, cure, démoulage). - **Poteau‑semelle** : coffrage semelle + poteau, armature longitudinale + étriers, treillis de semelle, vérification d’aplomb et de stabilité. - **Escalier (partie 1)** : coffrage marche/contremarche, ferraillage inférieur/supérieur/contremarches/limons, respect des normes de dimensionnement et de sécurité. - **Formules clés** : volume \(V = L \times l \times h\); section d’acier \(A_s = \frac{M}{σ_{adm_s} z}\); pression admissible \(σ_{adm}=f_{ck}/γ_c\). - **Sécurité** : port des EPI, vérification de l’aplomb, cure adéquate, étaiement pendant le coulage. > Un bon dosage (eau/ciment ≤ 0,5) garantit une résistance suffisante tout en limitant le retrait et les fissures. ## Glossaire | Terme | Définition | |---------------------------|-----------------------------------------------------------------------------| | Béton armé | Composite de béton et d’acier destiné à résister à la traction et à la compression. | | Préfabrication | Fabrication hors site d’éléments structuraux ou architecturaux avant leur mise en place. | | Coffrage | Moule temporaire qui donne la forme souhaitée au béton frais. | | Ferraillage | Assemblage d’armatures (barres, treillis, stirrups) renforçant le béton. | | Semelle | Élément élargi répartissant la charge d’un poteau sur le sol. | | Contremarche | Partie verticale d’une marche d’escalier. | | Giron | Partie horizontale d’une marche d’escalier (profondeur de marche). | | Treillis soudé | Grille d’acier formée par des barres soudées à angle droit, utilisée comme armature minimale. | | Cure | Processus de maintien de l’humidité du béton frais pour assurer son hydratation. | | Étaiement | Soutien temporaire destiné à prévenir la déformation ou l’effondrement pendant le coulage. | | EPI | Équipement de Protection Individuelle (casque, lunettes, gants, chaussures de sécurité). | | Dosage | Proportion des constituants (ciment, eau, granulats, adjuvants) dans le béton. | ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Préfabrication d’un poteau décoratif **Consigne** : Un poteau carré de 0,25 m × 0,25 m et de hauteur 3,00 m doit être préfabriqué en béton C 30/37. Déterminer : 1. Le volume de béton nécessaire. 2. La quantité de ciment (dosage 350 kg/m³). 3. Le nombre de barres longitudinales Ø14 mm nécessaires si le taux d’armature visé est 0,6 %. **Corrigé** : 1. \(V = 0,25 \times 0,25 \times 3,00 = 0,1875\text{ m}^3\). 2. \(m_{ciment}=0,1875 \times 350 = 65,6\text{ kg} ≈ 66\text{ kg}\). 3. Aire béton \(A_b = 0,25 \times 0,25 = 0,0625\text{ m}^2\). Aire acier requise \(A_s = 0,006 \times A_b = 0,000375\text{ m}^2 = 375\text{ mm}^2\). Aire d’une barre Ø14 mm : \(A = \frac{\pi}{4}(0,014)^2 = 154\text{ mm}^2\). Nombre de barres = \(\lceil 375/154 \rceil = 3\). On prévoit 4 barres pour symétrie. ### Exercice 2 – Poteau‑semelle sur place **Consigne** : Un poteau‑semelle doit supporter une charge verticale de 200 kN. Le béton utilisé est C 25/30 (fck = 25 MPa). La semelle est carrée de 0,40 m × 0,40 m. Déterminer la section d’acier minimale nécessaire dans le poteau (armature longitudinale) sachant que l’acier a une limite d’élasticité fy = 400 MPa et les coefficients de sécurité γc = 1,5, γs = 1,15. **Corrigé** : - Contrainte admissible béton : \(σ_{adm}=f_{ck}/γ_c = 25/1,5 = 16,7\text{ MPa}\). - Vérification de la semelle : pression \(p = F/A = 200\,000/(0,40×0,40)=1\,250\,000\text{ Pa}=1,25\text{ MPa} < σ_{adm}\) → semelle OK. - Contrainte admissible acier : \(σ_{adm_s}=fy/γ_s = 400/1,15 = 347,8\text{ MPa}\). - Section acier : \(A_s = F/σ_{adm_s} = 200\,000 / (347,8\times10^6) = 5,75\times10^{-4}\text{ m}^2 = 575\text{ mm}^2\). - Aire d’une barre Ø16 mm = 201 mm² → nombre de barres = \(\lceil 575/201 \rceil = 3\). On adopte 4 barres Ø16 mm pour symétrie. ### Exercice 3 – Ferraillage d’une marche d’escalier **Consigne** : Une marche d’escalier en béton C 25/30 a une épaisseur de 12 cm, une portée entre limons de 0,90 m et supporte une charge uniforme de 30 kN/m². Calculer le ferraillage inférieur nécessaire (treillis Ø6 mm) si le bras de levier z ≈ 0,9 d. **Corrigé** : - Moment fléchissant : \(M = q b L^2/8\) avec b = giron = 0,28 m. \(M = 30×0,28×0,90²/8 = 0,85\text{ kN·m}=850\text{ N·m}\). - \(z = 0,9×d = 0,9×0,12 = 0,108\text{ m}\). - \(A_s = M/(σ_{adm_s} z) = 850/(347,8×10^6×0,108)=2,26×10^{-5}\text{ m}^2 = 22,6\text{ mm}^2\). - Aire d’un fil Ø6 mm = 28,3 mm² → nombre de fils = \(\lceil 22,6/28,3 \rceil = 1\). - On préconise un minimum de 2 fils Ø6 mm dans chaque direction, espacé de ≤ 15 cm (conforme à la recommandation ≤ 15 cm). ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de vérifier l’aplomb du coffrage avant le coulage | Déviation du poteau ou de l’escalier, risque de fissuration ou d’effondrement | Utiliser un niveau à bulle et un fil à plomb à chaque étape ; tolérance ≤ 5 mm sur 2 m. | | 2 | Utiliser un dosage eau/ciment trop élevé (> 0,6) | Réduction de la résistance, augmentation du retrait et des fissures | Respecter le rapport E/C ≤ 0,5 pour les bétons structurels ; mesurer l’eau avec un récipient gradué. | | 3 | Espacer les étriers trop largement (> 20 cm) dans les zones de flexion | Défaillance par cisaillement ou fléchissement prématuré | Suivre les tableaux d’espacement selon le diamètre des barres et la portée ; généralement ≤ 16 cm pour Ø8 mm. | | 4 | Négliger la cure (ex. laisser le béton à l’air libre dès le décoffrage) | Déshydratation superficielle, faible résistance en surface, fissures de retrait | Maintenir l’humidité pendant au moins 7 jours (bâche plastifiée ou arrosage 2×/jour en période chaude). | | 5 | Positionner mal les armatures (ex. barres trop proches du bord) | Risque de corrosion, manque d’enrobage, réduction de la durabilité | Respecter l’enrobage minimal (20 mm pour intérieur, 30 mm pour extérieur selon l’exposition). | | 6 | Surcharger le chantier avec des matériaux non stabilisés (ex. tas de gravier non compacté) | Affaissement du sol sous la semelle, perte de portance | Compacter le sol de fondation à 95 % du Proctor avant de poser la semelle ; réaliser des essais de portance si nécessaire. | > La sécurité sur le chantier passe par le port constant des EPI, la vérification des accès et la formation régulière aux gestes de prévention des risques. --- *Fin du cours.*