Commission du ciment armé
La commission du ciment armĂ© a Ă©tĂ© formĂ©e par les administrations de l'Ătat français qui souhaitaient fixer les conditions d'admission des nouveaux procĂ©dĂ©s de construction dans les travaux d'intĂ©rĂȘt gĂ©nĂ©ral alors que plusieurs systĂšmes de construction et mĂ©thodes de calcul avaient Ă©tĂ© exposĂ©s. L'effondrement, le , de la passerelle en ciment armĂ© menant Ă l'attraction du Grand Globe cĂ©leste[1], pendant l'Exposition universelle de 1900, faisant neuf morts et plusieurs blessĂ©s graves, amĂšne le gouvernement Ă s'intĂ©resser Ă ce nouveau matĂ©riau et Ă essayer d'en dĂ©finir les rĂšgles d'usage.
Le pont de la Manufacture, aujourd'hui Camille-de-Hogues, Ă ChĂątellerault, construit entre 1899 et 1900 avec une travĂ©e de 50 mĂštres de portĂ©e, montre l'intĂ©rĂȘt du nouveau matĂ©riau pour la construction des ponts[2].
Historique
Pré-histoire du ciment armé
L'usage de constructions mixtes associant le fer Ă un autre matĂ©riau n'est pas nĂ© avec le ciment armĂ©. Les cathĂ©drales gothiques utilisent dĂ©jĂ le fer pour assurer la reprise de la poussĂ©e des voĂ»tes. Le cas le mieux Ă©tudiĂ© est celui de la construction du PanthĂ©on oĂč la reprise des efforts est assurĂ©e par des barres de fer faisant de certaines parties de l'ouvrage de la pierre armĂ©e. Les dĂ©boires de cet ouvrage dĂšs sa construction ont donnĂ© lieu Ă une importante littĂ©rature, en particulier par Jean-Baptiste Rondelet[3].
Si Louis Vicat, ingĂ©nieur des ponts et chaussĂ©es, a permis de comprendre comment rĂ©aliser un ciment artificiel, il n'y a pas eu d'intĂ©rĂȘt de la part des ingĂ©nieurs pour l'adjonction du fer au ciment pour en amĂ©liorer la rĂ©sistance. C'est en dehors du monde savant que l'intĂ©rĂȘt de cette adjonction va ĂȘtre montrĂ©. Les entrepreneurs utilisent les rebus de fer pour renforcer les fondations en ciment hydraulique dĂšs 1820 comme Marc Seguin l'a fait pour le pont de Tournon.
On peut s'Ă©tonner que les ingĂ©nieurs des ponts et chaussĂ©es ne s'intĂ©ressent pas au ciment armĂ©. AndrĂ© Guillerme dans son livre «BĂątir la ville», p. 197[4], donne des Ă©lĂ©ments d'explication pour ce peu d'intĂ©rĂȘt en donnant des citations de textes de l'Ă©poque :
- En 1807, Fleuret Ă©crit : « Le fer est un des mĂ©taux chargĂ©s naturellement de l'acide carbonique qui en contient le plus. Aussi voit-on dans les plus anciens Ă©difices, comme dans les plus anciennes recettes, que nos AncĂȘtres l'employaient dans les ciments. Mais comme le fer, quoique trĂšs abondant, serait exorbitamment cher pour en faire un grand usage dans les constructions, il faut s'attacher aux matiĂšres les plus communes : crasses et paillettes de fer, scories de forges, de fonte de fer, rebus des tuileries et briqueteries »[5].
- En 1826, Thomas Telford, utilise des chaßnes en fer forgé, et de la maçonnerie goujonnée pour les tours, dans la construction du Pont suspendu de Menai, franchissant le détroit entre l'ßle d'Anglesey et le pays de Galles.
- En 1829, Destigny fait des études sur le coefficient moyen de dilatation des pierres et des bétons. Il en déduit que l'association avec le fer est peu fiable[6].
- En 1829, Henri Navier intervient dans la discussion sur l'intĂ©rĂȘt des tirants dans la maçonnerie et montre l'inutilitĂ© du bĂ©ton armĂ© en montrant qu'il vaut mieux utiliser le fer comme tirant pour reprendre la poussĂ©e par un effet de compensation pour reprendre les effets de la tempĂ©rature mais ce matĂ©riau coĂ»te cher[7].
- En 1833, Isambard Kingdom Brunel utilise le fer dans la construction d'un pont sur la Tamise à Londres en brique et ciment Parker «pour relier plus solidement cette maçonnerie et n'en faire qu'une seule masse»[8]
Il faut attendre 1848 avec la barque de Joseph-Louis Lambot pour que le ciment armé sorte de l'anonymat en France. C'est le que Joseph Monier dépose le premier brevet pour un systÚme de caisses-bassins mobiles en fer et ciment applicables à l'horticulture.
Création de la commission du ciment armé
La commission est formĂ©e le 19 dĂ©cembre 1900 par arrĂȘtĂ© ministĂ©riel qui demande d'Ă©tudier les questions relatives Ă l'emploi du ciment armĂ©, de procĂ©der aux recherches nĂ©cessaires pour dĂ©terminer, dans la mesure du possible, les rĂšgles susceptibles d'ĂȘtre admises pour l'emploi de ce mode de construction dans les travaux publics.
Cette création a probablement pour origine l'effondrement de la passerelle de l'attraction du Grand Globe céleste à l'ouverture de l'Exposition universelle de 1900. Il eut 9 morts et plusieurs blessés graves. Cette construction avait été faite avec le systÚme Matrai, qui ne survécut pas à l'accident. Dans le systÚme Matrai, le béton jouait encore un rÎle accessoire car il servait seulement à protéger une structure en fer forgé contre la rouille et l'action du feu[9]. Ce drame avait montré qu'il devenait urgent de définir des rÚgles de conception de structures bùties incluant ce nouveau matériau.
La commission est placĂ©e sous la prĂ©sidence de ThĂ©odore Lorieux, inspecteur gĂ©nĂ©ral des Ponts et ChaussĂ©es, et comprend quatorze membres : MM. Ernest Georges Bechmann, Armand ConsidĂšre, Louis Auguste Harel de La NoĂ«, Augustin Mesnager, Charles Rabut, Jean RĂ©sal, ingĂ©nieurs des Ponts et ChaussĂ©es, les commandants du GĂ©nie Boitel et Hartmann, MM. Charles Albert Gautier (architecte du gouvernement) et Jacques Hermant, architectes; Il ya de plus MM. Ădouard Candlot, chimiste du ciment et directeur de la Compagnie parisienne des ciments Portland artificiels (qui au cours de ses essais avait mis en Ă©vidence l'ettringite (ou sel de Candlot) dĂšs 1890), Edmond Coignet et François Hennebique, ingĂ©nieurs civils[10].
La commission a commencĂ© ses travaux en . Ă la premiĂšre rĂ©union, ThĂ©odore Lorieux fait rĂ©fĂ©rence au rĂšglement de 1891 sur les constructions mĂ©talliques. Le cas du bĂ©ton armĂ© est trĂšs diffĂ©rent car il pose le problĂšme de deux matĂ©riaux aux comportements trĂšs diffĂ©rents dĂ©pendant de la maniĂšre dont ils sont associĂ©s (voir fluage du bĂ©ton). La commission traite non pas des diffĂ©rents systĂšmes existants â Hennebique, Cottancin, Matrai, Bonna, , etc. â mais du matĂ©riau bĂ©ton armĂ©.
La commission se divise en trois sous-commissions :
- La premiĂšre sous-commission est dirigĂ©e par Charles Rabut. Elle devait faire le programme des Ă©preuves qu'on devait faire subir aux ouvrages en ciment armĂ© provenant de l'Exposition universelle de 1900 qui se trouvaient au Champ-de-Mars et qui devaient ĂȘtre dĂ©molis.
- La deuxiÚme sous-commission, présidée par Armand ConsidÚre, devait étudier les points suivants :
- 1- la limite du travail à la traction et à la compression qu'on peut demander avec sécurité au béton de ciment armé,
- 2- les justifications à produire dans les projets pour démontrer que les différentes parties de l'ouvrage satisfont aux limites de travail de sécurité,
- 3- les conditions des épreuves : délai entre l'achÚvement de l'ouvrage et les épreuves; durée des épreuves; nature des résultats à constater.
- La troisiÚme sous-commission, placée sous la direction de M. Bechmann, devait étudier les questions suivantes :
- 1- à la provenance et aux qualités de ciment, du sable et du gravier,
- 2- aux épreuves préalables destinées à justifier la qualité du ciment, au dosage des matiÚres, et à la proportion d'eau employée (rapport eau-ciment),
- 3- aux procédés de mélange.
AprÚs la mise à la retraite de Théodore Lorieux, Jean Résal le remplace comme président. Armand ConsidÚre en est le rapporteur. Les travaux de cette commission sont terminés en 1905 et Armand ConsidÚre est nommé rapporteur général.
Les conclusions des travaux de la commission sont soumises à une nouvelle commission, nommée par le Conseil général des Ponts et Chaussées le , composée de Maurice Lévy, inspecteur général de 1re classe des Ponts et Chaussées, président et rapporteur, Albert de Préaudeau, inspecteur général de 2e classe, Henri Vétillard, inspecteur général de 2e classe. Le rapport de cette derniÚre commission est remis au Conseil général des Ponts et Chaussées le pour servir de base aux instructions approuvées par Louis Barthou, le Ministre des Travaux publics dans la Circulaire du concernant les instructions relatives à l'emploi du béton armé[11].
Travaux de la commission et résultats
Ce nouveau matériau est un composant de deux matériaux, le béton et l'acier, chacun ayant un mode de fonctionnement différent mais dont l'union compose ce nouveau matériau dont la commission doit essayer de définir les lois de comportement.
Au XIXe siÚcle l'ingénieur a à sa disposition pour faire l'étude des structures la théorie de l'élasticité et la résistance des matériaux. Dans la justification d'une structure le concepteur suppose qu'elle a un comportement élastique. La commission a donc cherché à vérifier la validité de cette hypothÚse pour la justification d'une structure en béton armé.
Détermination du module d'élasticité du béton
La commission fait des études sur le module d'élasticité du béton en compression. La commission fait des essais sur plusieurs types de composition du béton et de mode de compactage. Elle obtient des modules variables compris entre 16 000 MPa et 40 000 MPa. Les essais montrent que le module d'élasticité varie avec la charge de compression appliquée et qu'il est diminué lorsqu'il a subi des déformations par traction. La commission a choisi de ne pas proposer de module d'élasticité du béton à la compression supérieur à 15 000 MPa.
D'autres rĂ©sultats obtenus au mĂȘme moment par le professeur Bach Ă Stuttgart et le professeur Luigi Ă Turin ont donnĂ© des modules ne dĂ©passant pas 20 000 MPa ou 25 000 MPa. Des essais par Coignet et Tedesco ont aussi montrĂ© que le module d'Ă©lasticitĂ© augmente avec l'Ăąge du bĂ©ton. Par ailleurs, les expĂ©riences ont montrĂ© que le bĂ©ton subit d'abord de trĂšs faibles dĂ©formations jusqu'Ă une certaine limite, puis les affaissements deviennent sensibles et augmentent avec les charges[12].
La commission a comparé le module d'élasticité de l'acier et du béton. Si on note :
- module d'élasticité de l'acier
- module d'élasticité du béton
On obtient le rapport m :
AprÚs avoir longtemps discuté, la commission a laissé aux ingénieurs la possibilité de choisir ce coefficient m entre 8 et 15. En Allemagne et en Suisse, le coefficient m pris en compte est égal à 15. MM. Rabut et Mesnager étaient partisans de fixer ce coefficient à 10.
Résistance à la traction du béton armé
La commission a fait des expériences sur des prismes de 0,10 m de cÎté et de 2 m de long armés de fils de 6 mm de diamÚtre.
Les essais ont montré que :
- les coefficients d'élasticité du béton armé et non armé sont sensiblement égaux tant qu'on ne dépasse la résistance du béton à la traction,
- quand le béton est fissuré, dans les parties non fissurées le concours que le béton donne aux armatures tendues est constant,
- dans la zone de béton fissuré, la tension dans les armatures est égale au produit des variations de leur longueur par le coefficient d'élasticité.
Des essais ont été faits pour savoir si des piÚces soumises à des tractions importantes pouvaient résister à la compression. Ils ont vérifié que la résistance en compression était peu affectée par la mise en traction préalable du béton[13].
Retrait du béton
La commission a fait des essais sur des prismes en béton armé montrant que le retrait induisait une compression dans les armatures. Cette compression équilibrait la tension dans le béton. Ce phénomÚne est sensible aux conditions environnementales et au pourcentage de métal mais il n'est pas nécessaire de le faire intervenir dans les calculs[14].
Adhérence acier - béton
La résistance des piÚces en béton armé suppose que le béton reste solidaire des armatures. Dans sa présentation de 1889, Paul Cottancin doutait de cette adhérence et la tenait pour nulle pour justifier son systÚme d'armatures. Il était donc important de s'assurer que cette adhérence existait et de déterminer de sa valeur minimale sous les différents modes d'actions agissant sur une piÚce. Dans le phénomÚne de flexion, cette adhérence est importante pour la résistance aux efforts tranchants.
Des essais ont été faits par Edmond Coignet et Napoléon de Tédesco, de Jolly, et à Munich par Brauschinger. Les essais de la Commission ont été réalisés par Mesnager.
Deux modes essais étaient pratiqués :
- par traction directe d'une tige métallique noyée dans un bloc de béton
- par flexion d'un prisme.
Par traction directe, les essais ont montré un cisaillement d'adhérence variant de 40 à 47 kg/cm2.
Les essais faits par Armand ConsidÚre ont donné des chiffres nettement plus faibles, 12 kg/cm2 pour les ronds lisses, 18 kg/cm2 pour les fers laminés. Ces valeurs ont été déterminées par flexion d'un prisme.
Les valeurs obtenues par la Commission sont comprises entre 13,5 et 16,5 kg/cm2. Elle note que ces valeurs augmentent avec l'ùge du béton.
La Commission note donc que la valeur de 50 kg/cm2 adoptĂ©e par certains systĂšmes est trĂšs surĂ©valuĂ©e. Cette diminution pourrait ĂȘtre due Ă une dislocation de la couche de bĂ©ton au contact avec l'armature, mais la Commission note que toute la lumiĂšre de ce phĂ©nomĂšne n'a pas Ă©tĂ© faite[15].
Effets des fissures
La commission a fait des essais pour savoir si la fissuration du béton avait une influence sur :
- la conservation des sections planes,
- son module de déformation quand il était de nouveau comprimé,
- l'adhérence et le glissement des armatures,
- la résistance du ciment armé.
Les essais ont montré lorsqu'un béton ayant été fissuré est remis en compression, son module de déformation était sensiblement identique à celui d'un béton non fissuré[16]..
Les expériences ont montré que les valeurs prises par les constructeurs pour l'adhérence entre le béton et les armatures étaient exagérées et que la mise en traction des armatures s'accompagnait d'une fissuration qui devait diminuer l'adhérence.
Les expériences de ConsidÚre ont montré que la fissuration modifiait, dans les environs de la fissure, la répartition des contraintes dans l'acier et le béton, changeait la position de la fibre neutre et augmentait la courbure de la piÚce armée mais que les altérations sur un point étaient compensées par des augmentations sur d'autres. Cependant ConsidÚre s'inquiÚte des effets de la fissuration dans les cas de répétitions des efforts[17].
Conservation des sections planes et axe neutre
C'est la question qui a fait l'objet des plus vifs dĂ©bats Ă l'intĂ©rieur de la Commission. Les expĂ©riences et les mesures de dĂ©formations ont montrĂ© que l'hypothĂšse de Navier sur la conservation des sections planes Ă©tait encore applicable au ciment armĂ©, hormis les zones oĂč sont appliquĂ©es de fortes charges.
Cette hypothĂšse de conservation des sections planes paraĂźt pouvoir ĂȘtre prise sans restriction mĂȘme lorsque le bĂ©ton prĂ©sente des fissurations[18].
Déformation du béton
La Commission a voulu vérifier si le béton tendu, dans le phénomÚne de la flexion, se comportait comme celui soumis à un effort direct de traction. Elle a pu nettement établir la similitude. Cela avait déjà été signalé par les essais faits par ConsidÚre.
RĂ©sistance au cisaillement
Les essais de Mesnager pour les poutres soumises à la flexion et au cisaillement ont montré que la fissuration dans les poutres se produit le plus souvent dans une direction de 45° avec l'effort tranchant.
Dans les premiĂšres poutres en bĂ©ton, les constructeurs ne comptaient que sur la rĂ©sistance du bĂ©ton pour reprendre l'effort tranchant, mais assez rapidement, Ă la suite de malfaçons dans la mise en Ćuvre du bĂ©ton ou par l'emploi de matĂ©riaux de moins bonne qualitĂ©, ils ont imaginĂ© des armatures de liaison spĂ©ciales reliant l'armature tendue infĂ©rieure d'une poutre Ă la partie comprimĂ©e du bĂ©ton en partie supĂ©rieure. Ces liaisons assurent une solidaritĂ© entre les diffĂ©rentes parties d'une poutre en bĂ©ton armĂ© et lui permet de rĂ©sister Ă l'effort tranchant. Le premier systĂšme d'Ă©trier a Ă©tĂ© brevetĂ© par Hennebique en 1889.
Les essais de Mesnager ont montré qu'il était nécessaire de relever les armatures à proximité des appuis, que les étriers inclinés sont plus efficaces que les étriers verticaux.
Les liaisons transversales sont particuliĂšrement nĂ©cessaires dans les nervures, pour relier les armatures au hourdis et empĂȘcher le glissement entre les couches successives de bĂ©ton[19].
Participation du hourdis à la résistance de la nervure
La commission a fait des essais sur des planchers nervurés. Ils ont montré que la participation du hourdis à la résistance des poutres était partielle. Quand la distance entre poutres est supérieure à 0,40 de la portée, la partie de hourdis située au-delà n'a plus d'influence sur la résistance et la déformation[20].
Premiers essais
Le ciment armĂ© a dâabord Ă©tĂ© inventĂ© par des bricoleurs, Joseph-Louis Lambot inventeur en 1849 dâun bateau imputrescible et qui en dĂ©pose le brevet en 1855, et Joseph Monier, un jardinier rocailleur qui dĂ©pose le brevet sur un systĂšme de caisses-bassins mobiles en fer et ciment applicable Ă lâhorticulture en 1867.
Le ciment armĂ© est Ă la rencontre de deux industries qui se dĂ©veloppent, la sidĂ©rurgie qui va passer de la fonte, au fer puis Ă lâacier, et lâindustrie cimentiĂšre.
En 1835, l'architecte François-Martin Lebrun avait construit un premier ponceau, puis un pont en bĂ©ton non armĂ© Ă Grisolles, en 1840. En 1853, câest François Coignet qui fait construire sa maison en bĂ©ton agglomĂ©rĂ© prĂšs de son usine de Saint-Denis. François Coignet dĂ©pose son premier brevet de bĂ©ton Ă©conomique en 1854. Industriel, il va dĂ©poser une sĂ©rie de brevets entre 1855 et 1859 sur les bĂ©tons Ă©conomiques, bĂ©tons hydrauliques, bĂ©tons plastiques, pierres factices,... Lâarchitecte Louis-Auguste Boileau utilise les procĂ©dĂ©s Coignet pour construire lâĂ©glise Sainte-Marguerite du VĂ©sinet en 1862. François Coignet a dĂ©posĂ© ses brevets en Angleterre et ses procĂ©dĂ©s sont discutĂ©s dans la presse technique anglophone Thaddeus Hyatt et William E. Ward ont connaissance de ses travaux. Thaddeus Hyatt fait des expĂ©riences sur des poutres en ciment armĂ© quâil soumet Ă des tempĂ©ratures Ă©levĂ©es et montre la similitude des coefficients de dilatation du fer et du ciment.
La comprĂ©hension du fonctionnement de ce nouveau matĂ©riau ne commence Ă sortir des rĂšgles forfaitaires de construction que trĂšs progressivement quand les ingĂ©nieurs vont sây intĂ©resser. Les prĂ©misses peuvent sâapercevoir dans le brevet sur les traverses en ciment armĂ©, en 1877 avec son additif de 1878, oĂč Joseph Monier dessine les armatures renforçant le ciment armĂ© pour la reprise des efforts de traction. Mais le texte nâexprime pas clairement ce rĂŽle des armatures.
Joseph Monier avait vendu lâexploitation de ses brevets en Allemagne Ă Gustav Adolf Wayss et Conrad Freytag (de). Lâentreprise quâils vont crĂ©er pour lâexploiter va dĂ©velopper des recherches pour dĂ©finir les rĂšgles dâutilisation de ce matĂ©riau, le Monierbau, quâils ont confiĂ©es Ă Johann Bauschinger qui dirige les laboratoires de lâInstitut de Munich. Dans une brochure de 1887 intitulĂ©e Das System Monier, Eisengerippe mit CementumhĂŒllung, MonierbroschĂŒre, Wayss et Koene expliquent le comportement du bĂ©ton armĂ©.
LâidĂ©e que lâassociation du ciment et du fer constitue un monolithe apparaĂźt dans le brevet de Bordenave en 1886 oĂč il explique que le point caractĂ©ristique de mon procĂ©dĂ© est de former une ossature mĂ©tallique autour de laquelle on coule une matiĂšre qui, en se solidifiant, forme un monolithe. La forme des fers empĂȘche toute disjonction entre les fers et le mortier ou le ciment. Dans son exposĂ© devant la SociĂ©tĂ© des ingĂ©nieurs civils, en 1889, Paul Cottancin explique que lâadhĂ©rence entre le ciment et le fer est nulle et son systĂšme de ferraillage est conçu pour permettre par son façonnage lâancrage des armatures. Aux Ătats-Unis, Thaddeus Hyatt et Ernest L. Ransome avaient dĂ©posaient des brevets sur les armatures.
- Le , Matthias Koenen et Gustav-Adolf Wayss dĂ©posent un brevet intitulĂ© perfectionnements apportĂ©s aux massifs de maçonnerie au point de vue de leur rĂ©sistance Ă la traction dans lequel ils expliquent le rĂŽle mĂ©canique de chacun des constituants du ciment armĂ© : la prĂ©sente invention a pour but de remĂ©dier Ă tous ces inconvĂ©nients au moyen dâune combinaison appropriĂ©e de ces deux matĂ©riaux, dont lâun a essentiellement Ă supporter les efforts de traction, lâautre les efforts de compression. Le brevet explique que les armatures doivent ĂȘtre dâun type particulier, les surfaces extĂ©rieures sont rugueuses ou hĂ©rissĂ©es dâaspĂ©ritĂ©s afin dâobtenir une liaison intime des deux matĂ©riaux et prĂ©cise que les deux matĂ©riaux âŠsont rĂ©unis en une action commune dans un corps formant un ensemble, de sorte que la transmission des forces intĂ©rieures de lâun des matĂ©riaux Ă lâautre se fait dâune maniĂšre continue et non interrompue grĂące Ă la force dâadhĂ©sion, le mĂ©tal et le ciment agissent ensemble mais chacun dans ses caractĂ©ristiques.
- Le , François Hennebique dĂ©pose un brevet sur une combinaison particuliĂšre du mĂ©tal et du ciment en vue de la crĂ©ation de poutraisons trĂšs lĂ©gĂšres et de haute rĂ©sistance. Il donne une explication rationnelle du fonctionnement en expliquant que la loi de construction de ce genre de poutraisons Ă©tant ainsi trouvĂ©e dans lâaddition et la combinaison de deux grandes rĂ©sistances inhĂ©rentes aux deux corps en prĂ©sence et agissant en sens contraire, il ne sâagit plus que de dĂ©terminer les proportions de fer et de ciment Ă employer dans la fabrication de poutres pour une rĂ©sistance Ă la flexion donnĂ©eââ. Il est le premier Ă justifier lâemploi dâagrafes pour amortir les effets de lâeffort tranchantââ. Câest dans lâadditif du quâon voit apparaĂźtre le mot Ă©trier avec le dessin dâune languette en feuillard en fer pouvant ĂȘtre formĂ© sur chantier.
- En , Edmond Coignet, ingĂ©nieur, dĂ©pose son brevet sur son systĂšme de construction avec poutrelles droites ou courbes et platebande en maçonnerie et fer combinĂ©s. La particularitĂ© du systĂšme Coignet est surtout visible dans les planches qui accompagnent lâadditif du dans lequel il dessine des poutres en tĂ© et propose un modĂšle de calcul rationnel pouvant ĂȘtre appliquĂ© Ă toutes les structures en ciment armĂ©. Câest en 1894 quâil va lâexposer avec NapolĂ©on de TĂ©desco devant lâAcadĂ©mie des sciences. Ils font le une communication devant la SociĂ©tĂ© des ingĂ©nieurs civils sur lâapplication du calcul aux constructions en ciment avec ossature mĂ©tallique qui est publiĂ©e dans les Annales des Ponts et ChaussĂ©es.
Si Edmond Coignet dĂ©veloppe le ciment armĂ© comme entrepreneur, François Hennebique a choisi une voie originale pour dĂ©velopper lâusage de ses brevets tant en France quâĂ lâĂ©tranger. Il a en effet crĂ©Ă© un bureau dâĂ©tudes, BĂ©tons ArmĂ©s Hennebique et un systĂšme de concessionnaires liĂ©s par contrats de licence. Il prĂ©sente ses ouvrages dans sa revue Le BĂ©ton armĂ©, organe des Agents et Concessionnaires du systĂšme Hennebique fondĂ©e en 1898. En Allemagne et en Autriche, lâingĂ©nieur Friedrich Ignaz von Emperger, qui exploite aux Ătats-Unis la licence Melan, crĂ©e en 1902 la revue Beton und Eisen.
AprĂšs les exposĂ©s des diffĂ©rents systĂšmes constructifs en ciment armĂ©, les premiĂšres thĂ©ories sur le calcul se dĂ©veloppent tant en France avec Coignet, ConsidĂšre, Rabut, Mesnager, Planat quâen Belgique, avec Paul Christophe, quâen Allemagne, avec Koene, Wayss qui aboutissent Ă lâexposĂ© dâ Emil Mörsch dans son livre Der Betoneisenbau, seine Anwendung und Theorie[21] publiĂ© Ă Stuttgart en 1902 et traduit en français en 1909 sous le titre Le bĂ©ton armĂ©, Ă©tude thĂ©orique et pratique. En Suisse, Wilhelm Ritter, professeur Ă l'Ăcole polytechnique fĂ©dĂ©rale de Zurich oĂč il enseigne la statique graphique aprĂšs la mort de Karl Culmann, qui a formĂ©, entre autres, Robert Maillart, a dĂ©veloppĂ© une mĂ©thode de calcul du bĂ©ton armĂ© publiĂ©e dans un article en 1899[22]. Ces travaux vont donner la mĂ©thode de calculs d'une poutre en bĂ©ton armĂ© par analogie de fonctionnement en poutre en treillis de type Howe avec des bielles comprimĂ©es en bĂ©ton et des armatures mĂ©talliques tendues ou treillis de Ritter-Mörsch.
Face aux ingĂ©nieurs qui essaient de rattacher le comportement de ce nouveau matĂ©riau Ă la rĂ©sistance des matĂ©riaux et Ă la thĂ©orie de lâĂ©lasticitĂ©, un praticien comme François Hennebique critique cette attitude : « Ah ! Messieurs, vous lâavouerai-je ? Jâai une sainte horreur de tout ce fatras de science. Les facteurs qui interviennent dans nos formules sont les charges, les portĂ©es qui forment les bras de levier de ces charges, les rĂ©sistances des matĂ©riaux employĂ©s, la hauteur des couples formĂ©s par les solides et le bras de levier de la rĂ©sistance des matĂ©riaux ; cela constitue une cuisine bien simple, dont tous les Ă©lĂ©ments sont bien comprĂ©hensibles et nous suffisent pour composer en bĂ©ton de ciment et fer des combinaisons de charpentes et planchers solides et Ă©conomiques ».
Jean Résal qui est un spécialiste de la construction métallique va assimiler la poutre en béton armé à une poutre hétérogÚne prismatique dont les éléments ont des propriétés élastiques différentes.
En 1897, Charles Rabut inaugure le premier cours de bĂ©ton armĂ© Ă lâĂ©cole des Ponts et ChaussĂ©es.
La méthode de calcul de la Commission
Dans son rapport, la commission remarque que si le bĂ©ton armĂ© est de plus en plus apprĂ©ciĂ© dans ses effets, il est encore bien imparfaitement connu dans ses causes. Plus on y rĂ©flĂ©chit, plus on sent quâil y a lĂ nombre de phĂ©nomĂšnes qui demeurent obscurs. Dans ces conditions, il nâest pas aisĂ© dâarriver Ă la prĂ©cision dĂ©sirable dans les instructions Ă donner aux ingĂ©nieurs, tout en ne les entravant pas dans la voie du progrĂšs qui reste ouverte.
Les ingĂ©nieurs Rabut et Mesnager ont demandĂ© que les prescriptions soient abrĂ©gĂ©es et rĂ©duites Ă quelques indications gĂ©nĂ©rales, de façon Ă Ă©viter tout ce qui pourrait tendre Ă restreindre, en cette matiĂšre, la libertĂ© scientifique des ingĂ©nieurs, sauf Ă reporter dans la circulaire les explications ou les conseils que lâon pourrait juger utile de leur donner.
La commission laisse aux ingĂ©nieurs la plus absolue libertĂ© dans les mĂ©thodes de calcul quâils croient devoir employer sous la seule rĂ©serve de ne pas substituer les mĂ©thodes empiriques des spĂ©cialistes aux mĂ©thodes plus sĂ»res tirĂ©es de la rĂ©sistance des matĂ©riaux ou de la thĂ©orie de lâĂ©lasticitĂ©.
Les principes des calculs adoptés par la commission sont les suivants :
- 1- LâhypothĂšse de Navier sur la conservation des sections planes dans le phĂ©nomĂšne de la flexion a Ă©tĂ© reconnue comme sensiblement exacte, sauf prĂšs des appuis ou dans le voisinage immĂ©diat des charges concentrĂ©es en un point de la poutre ;
- 2-Les rĂšgles gĂ©nĂ©rales et les formules classiques de la rĂ©sistance des matĂ©riaux, dans les corps hĂ©tĂ©rogĂšnes, sont applicables au bĂ©ton armĂ© en attribuant Ă chaque fibre de matiĂšre un effort unitaire proportionnel au produit de la dĂ©formation longitudinale (raccourcissement ou allongement) par son module dâĂ©lasticitĂ©.
On peut remplacer le solide hĂ©tĂ©rogĂšne par un solide homogĂšne en remplaçant la section du mĂ©tal par une section de bĂ©ton Ă©gale Ă m fois celle du mĂ©tal (oĂč m = Ea / Eb, la commission nâimpose pas de valeur mais propose de prendre m = 15, ce qui correspond Ă Ea = 220 MPa et Eb = 15 MPa) ; - 3- Il nây a pas lieu de tenir compte de lâeffet Ă©lastique des armatures transversales dans les piĂšces flĂ©chies ;
- 4- Pour le calcul des fibres tendues on ne doit jamais faire intervenir le bĂ©ton tendu pour dĂ©terminer les sections dâarmatures nĂ©cessaires Ă la rĂ©sistance. On peut tenir compte du bĂ©ton tendu pour la dĂ©termination des dĂ©formations et de la position de la fibre neutre ;
- 5- La limite de fatigue Ă la compression du bĂ©ton armĂ© Ă admettre dans les calculs de rĂ©sistance des ouvrages ne doit pas dĂ©passer 28 % de la rĂ©sistance Ă lâĂ©crasement dâun bĂ©ton non armĂ© de mĂȘme composition aprĂšs 90 jours de prise ;
- 6- La limite de fatigue au cisaillement, au glissement longitudinal du bĂ©ton sur lui-mĂȘme et Ă son adhĂ©rence sur le mĂ©tal des armatures sera prĂ©vue Ă©gale Ă 10 % de celle spĂ©cifiĂ©e pour la limite de fatigue Ă la compression. Des armatures transversales permettent de reprendre les efforts de cisaillement qui seraient supĂ©rieurs Ă cette limite.
- 7- Pour les piÚces comprimées on s'assure qu'elles ne sont pas exposées à flamber.
Pour les charges, on doit tenir compte des plus grandes forces extérieures, celles du rÚglement du , y compris les actions du vent et de la neige, que les ouvrages peuvent supporter, mais aussi les effets thermiques et ceux du retrait du béton quand les ouvrages ne sont pas librement dilatables.
Un oubli : le fluage
EugÚne Freyssinet construisit en 1911 et 1912 les trois ponts dans l'Allier, dont il ne subsiste aujourd'hui que le pont Boutiron. C'étaient des ponts en arcs trÚs surbaissés avec trois articulations, aux naissances et à la clé. Ils avaient été calculés en appliquant la circulaire relative à l'emploi du béton armé du [23], supposant que le module de déformation du béton est constant.
Rapidement, aprÚs le décintrage du pont du Veurdre, il constata une augmentation de la flÚche par la descente de 13 centimÚtres des clés des arcs. Inquiet des conséquences d'un tel phénomÚne, qui pouvait conduire l'ouvrage à sa ruine, il recommença l'opération de vérinage[24] des clés pour les remettre au bon niveau, avec l'aide de quatre hommes, et il les bloqua. AprÚs avoir vérifié les éprouvettes du béton, Freyssinet a dû admettre que la seule explication était que le béton avait des déformations différées dans le temps, sous l'action d'un effort de compression. Pour sauver le pont, il réinstalla des vérins à la clé et les mit en pression pour compenser les déformations.
Pour comprendre pourquoi ces déformations différées n'avaient pas été constatées pendant les essais réalisés par la Commission, il alla interroger les techniciens du Laboratoire des ponts et chaussées. Ceux-ci lui dirent qu'ils démontaient tous les capteurs de déplacement chaque soir pour ne pas les endommager rendant la constatation de ce phénomÚne de déformation différée du béton sous une charge constante impossible[25].
Ce mĂȘme phĂ©nomĂšne avait Ă©tĂ© mis en Ă©vidence au cours des essais rĂ©alisĂ©s aux Ătats-Unis par l'industriel amĂ©ricain Thaddeus Hyatt, en 1877, sur une poutre chargĂ©e. Il avait constatĂ© une augmentation de la flĂšche aprĂšs deux mois de chargement [26]. La dĂ©finition d'un modĂšle de calcul du fluage du bĂ©ton dans la rĂ©glementation française ne date que de la circulaire N°44 du : instruction provisoire relative Ă l'emploi du bĂ©ton prĂ©contraint[27].
Notes et références
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- « Pont Camille de Hogues à Chùtellerault » [PDF], sur piles.setra.developpement-durable.gouv.fr (consulté le ).
- André Guillerme, Bùtir la ville. Révolutions industrielles dans les matériaux de construction. France - Grande-Bretagne (1760-1840), Champ Vallon (collection milieu), 1995 (ISBN 978-2-87673-203-2).
- Fleuret, L'art de composer des pierres factices aussi dures que le caillou et recherches sur la maniÚre de bùtir des Anciens, sur la préparation, l'emploi et les causes du durcissement de leurs mortiers, 2 volumes, Paris, 1807 .
- Destigny, Sur la dilatation des pierres, p. 144-162 ; dans le Journal du GĂ©nie Civil, 2, 1829 .
- Navier, Note relative à l'emploi du fer dans les constructions en maçonneries p. 342-343, dans le Journal du Génie Civil, 3, 1829 .
- Charles Rohault de Fleury, Voûtes en ciment hydraulique, p. 78, dans Annales des Ponts et Chaussées, 1, 1835 TexteDessin.
- P. Christophe. Le bĂ©ton armĂ© et ses applications. Đ ĐžĐżĐŸĐ» ĐлаŃŃĐžĐș, 1899. Consulter en ligne
- C. Berger, V. Guillerme, avec un avertissement de E. Candlot et une préface d'Armand ConsidÚre, La construction en ciment armé. Applications générales, théories et systÚmes divers, tome 1, p. 93, H. Dunod et E. Pinat éditeurs, Paris, 1909 (2e édition entiÚrement remaniée - La premiÚre édition a paru en 1902).
- MinistÚre des Travaux Publics, « Circulaire du 20 octobre 1906, concernant les instructions relatives à l'emploi du béton armé » [PDF], sur shf-lhb.org, (consulté le ).
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 125.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 135-138.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 133-135.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 182-183.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 183.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 178-180.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 181-182.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 184.
- C. Berger, V. Guillerme, La construction en ciment armé, p. 185.
- Emil Mörsch, Der Eisenbetonbau, seine Theorie und Anwendung, 1902 (lire en ligne).
- Wilhelm Ritter, Die Bauweise Hennebique, dans Schweizerische Bauzeitung, volume 33, 1899, p. 41-43, 49-52, 59-61 (lire en ligne).
- « Circulaire du 20 octobre 1906, concernant les instructions relatives à l'emploi du béton armé » [PDF], sur shf-lhb.org, (consulté le ).
- MEMOAR - Collection de fiches techniques, « Fiche n° VIII-4 - Vérinage / Calage » [PDF], sur memoar.setra.developpement-durable.gouv.fr, (consulté le ).
- Sous la direction de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot, La durabilité des bétons, p. 168-169, Presses de l'école nationale des ponts et chaussées, Paris, 2008 (ISBN 978-2-85978-434-8) ; p. 869.
- Thaddeus Hyatt, An account of some experiments with Portland-cement-concrete combined with iron, as a building material, with reference to economy of metal, and for security against fire in the making of roofs, floors, and walking surfaces, Chiswick Press, London, 1877 (lire en ligne).
- Sétra, « Evolution des rÚglements des ponts en béton armé ou précontraint » [PDF], sur piles.setra.developpement-durable.gouv.fr (consulté le ).
Voir aussi
Bibliographie
- Gaston Pigeaud, Note sur une méthode de calcul des poutres en ciment armé, dans Annales des ponts et chaussées. 1re partie. Mémoires et documents relatifs à l'art des constructions et au service de l'ingénieur, 1908, p. 7-34 (lire en ligne)
- Augustin Mesnager, Expérience sur les jonctions de barres tendues dans les poutres en béton armé, dans Annales des ponts et chaussées. 1Úre partie. Mémoires et documents relatifs à l'art des constructions et au service de l'ingénieur, mars-avril 1908, p. 109-140 (lire en ligne) et planches 10 à 12 (voir)
- Cyrille Simonnet, Le bĂ©ton. Histoire d'un matĂ©riau. Ăconomie, technique, architecture, Ăditions parenthĂšses, Marseille, 2005 (ISBN 978-2-86364-091-3)