Construction de bâtiments : les structures métalliques et béton

Au sein du génie civil, l’une des spécialités les plus passionnantes est la branche structurelle, qui se consacre à la conception et au calcul des éléments qui composent les bâtiments, les ponts, les barrages, etc. et qui rendent leurs structures résistantes aux charges auxquelles elles seront soumises tout au long de leur vie utile.

Cette spécialité a évolué au cours de l’histoire grâce à l’apparition de nouveaux éléments structurels et à l’utilisation de matériaux plus résistants, qui ont permis de franchir des étapes importantes comme la construction du Burj Khalifa, actuellement le plus haut bâtiment du monde avec ses 828 mètres.

Une analyse des structures sera effectuée, en se concentrant sur les deux principaux matériaux utilisés aujourd’hui dans la construction de génie civil : l’acier et le béton.

Structures métalliques

L’utilisation de matériaux métalliques dans la construction remonte à l’époque de la Grèce antique, lorsque des poutres en fer forgé ont été utilisées pour construire certains temples. Cependant, ce n’est qu’après la révolution industrielle que les structures métalliques ont pris une réelle importance.

Ainsi, au cours du XIXe siècle, l’utilisation du fer pour la construction s’est généralisée, entre autres grâce à la fabrication de pièces en série et à l’apparition des profilés en double T. Grâce à ces avancées et à des esprits comme celui de Gustave Eiffel, des projets comme celui qui porte son nom, la Tour Eiffel, ont pu être réalisés.

Cependant, actuellement, le fer a cédé la place à l’acier comme matériau principal des structures métalliques après l’invention, au milieu du siècle dernier, de différents procédés de production et en raison de ses caractéristiques exceptionnelles.

Il est principalement constitué d’un alliage de fer et de carbone auquel d’autres matériaux peuvent être ajoutés pour améliorer ses caractéristiques. Il a une densité de 7 850 kg/m3 et un module d’élasticité (E) de 210 000 N/mm2. En ce qui concerne sa limite élastique (fy), elle varie de 235 à plus de 400 N/mm2 selon le type d’acier.

Il faut également ajouter la grande variété de profils standardisés qui existent actuellement (IPE, HEA, HEB, UPN, en L, etc.), qui constituent un catalogue étendu pour choisir le type de section transversale qui s’adapte le mieux à la structure et à ses charges.

Comportement du pliage de l’acier

L’un des grands avantages des poutres en acier est leur grande résistance aux contraintes de traction, de compression et de flexion. Pour l’étude de cette dernière, les lois de Momentum-Courbure obtenue à partir des lois, des matériaux et de l’hypothèse de déformation à plat des sections Navier-Bernouilli sont utilisées.

La zone initiale correspond à la branche élastique caractérisée par sa grande rigidité, se terminant par la limite élastique qui est située entre les déformations de 0,11 à 0,17n fonction de l’acier.

Ensuite, il y a une zone presque horizontale appelée “plastic yield” ou “creep”, qui s’étend à des déformations d’environ 1,5 à 2,5%. Enfin, la branche de durcissement apparaît jusqu’à ce qu’elle atteigne la souche de rupture, située à 12-17%.

Une fois la contrainte de rupture atteinte, l’acier continu à se déformer tout en réduisant la contrainte de rupture, avec des déformations de 20 à 25 %.

Structures en béton

L’histoire du béton remonte à l’Égypte ancienne, où des mélanges de plâtre et de calcaire dissous dans l’eau étaient utilisés pour assembler des blocs de pierre. Mais c’est dans la Grèce antique qu’a été fabriqué le premier béton, lorsque du calcaire calciné a été mélangé à de l’eau, du sable et de la pierre concassée.

Cependant, ce n’est qu’au XIXe siècle que la grande révolution du béton a eu lieu grâce à la création par Joseph Aspdin et James Parker de Portland Cement, l’un des principaux matériaux qui composent le béton.

Plus tard, et grâce à l’essor de l’industrie du béton à partir du XXe siècle, son utilisation dans les travaux de génie civil s’est généralisée, donnant naissance à une multitude de projets concrets, comme ceux réalisés par l’ingénieur suisse Robert Maillart.

Quant à sa composition, le béton est obtenu à partir d’un mélange de ciment Portland, de granulats, d’eau et d’adjuvants, ces derniers étant chargés de donner au béton des caractéristiques particulières, et d’obtenir une densité d’environ 2,3-2,5 kg/m3 selon le type de béton utilisé (masse, armé ou précontraint). Dans l’article “L’importance du durcissement du béton et les différentes méthodes pour le faire correctement”, nous détaillons la composition et les phases de création du béton.

Comportement et résistance du béton

Le béton, contrairement à l’acier, ne se comporte pas de la même manière sous contrainte de traction et de compression, la résistance à la traction étant d’environ 10 % et la résistance à la compression.

Les éléments en béton fonctionnent ainsi de manière optimale sous contrainte de compression, mais dans les zones où apparaissent des contraintes de traction ou de flexion, les pièces se fissurent, ce qui peut entraîner la défaillance de la structure si elle n’est pas contrôlée.

En outre, il faut ajouter deux phénomènes qui se produisent dans les éléments en béton : le retrait et le fluage, qui sont coupables de générer des déformations supplémentaires dans la pièce.

Le béton est un matériau qui atteint 80 à 90 % de sa résistance après 28 jours, après être passé d’un état plastique initial à un état solide. Au cours de ce processus, le béton perd du volume lorsqu’une partie de l’eau qui le compose s’évapore, ce qui produit l’apparition de forces de traction qui peuvent le faire craquer.

De même, une fois que le béton a atteint sa résistance maximale, les variations qu’il subit au cours de sa vie utile dans l’environnement et en température génèrent également la perte de volume.

Enfin, il faut parler du fluage qui se produit dans le béton, qui peut se résumer à l’augmentation de la déformation de l’élément structurel sous une charge constante dans le temps.

Dans certains cas, cette déformation différée est très importante et doit donc être étudiée dans le cadre de l’analyse structurelle. Le fluage dépend de facteurs tels que la résistance du béton, le volume de la pièce et l’humidité du milieu environnant.

Structures mixtes

Après avoir vu les caractéristiques mécaniques et le comportement des deux principaux matériaux utilisés dans les structures en métal et en béton, un petit aperçu sur le traitement des structures mixtes, dans lesquelles les deux sont combinés.

Ils sont utilisés dans les tabliers de pont, les dalles, les tabliers ou les piles, où est utilisée la grande résistance du béton à la compression et de l’acier à la traction. Cela signifie également des économies considérables par rapport aux structures tout acier.

En conclusion, les connaissances requises pour l’analyse des structures en acier, en béton et mixtes sont très étendues et nécessitent une formation spécialisée. Dans le blog de Structuralia, il existe des articles comme “5 logiciels utilisés pour la conception et le calcul de structures dans le bâtiment et les travaux publics” dans lesquels nous approfondissons sur le calcul des structures.

Guide des vêtements de travail et des vêtements de sécurité
L’importance du durcissement du béton et les différentes méthodes pour le faire correctement