Les charpentes en béton armé

Maçonnerie, Matériaux 1966

Colonnes en béton armé

La longueur d'une colonne en béton armé ne peut dépasser 14 fois son diamètre. La surface de section de son armature peut varier de 1% à 4% de la surface du béton.

Fig. 112.— Voici deux exemples de colonnes en béton armé: a) colonne carrée armée de quatre barres d'acier verticales reliées entre elles par des frettes (Collets en acier) ; b) colonne rectangulaire ayant les angles chanfreinés, et dont l'armature se compose également de quatre barres d'acier verticales reliées entre elles par les frettes qui les entourent.

Les barres verticales doivent être droites, d'aplomb et reliées par des frettes (collets) à différents intervalles, les empêchant de s'écarter. L'espacement de ces frettes ne doit pas dépasser le diamètre de la colonne. Les barres verticales doivent être placées à 2" de la face extérieure de la colonne.

La tendance à faire les colonnes en béton de plus en plus petites, exige l'emploi d'un mélange de béton plus riche afin d'obtenir le maximum de résistance à la compression, et nécessite la pose des frettes à intervalles plus rapprochés afin d'augmenter la résistance contre l'écartement de l'armature verticale.

Pour obtenir la capacité d'une colonne en béton armé on peut utiliser la formule suivante :

C= S[Ac+ (n-1) As]
C = Capacité en lbs.
S = l'effort de sécurité dans le béton (safe unit stress) en lbs. par po. carré.
Ac = la section de béton en pouces carrés. As = la section d'acier en pouces carrés.
n = le rapport entre le module d'élasticité de l'acier et celui du béton. Ce rapport est d'environ 15.

Supposons un béton mélangé dans les proportions de 1: 2½ : 4 avec une résistance (stress) de 350 à 450 lbs.

Pour l'exemple suivant:

Soit une colonne de 16" x 16" armée de 4 barres verticales de 7/8".

Utilisons 400 comme effort de sécurité. Déduction faite du revêtement de 2" de béton autour des barres d'acier (c'est-à-dire le contour de béton entre les barres d'armature et les faces extérieures de la colonne) la surface de section de la colonne sera de 12" x 12" ou 144 pouces carrés.

La surface de section d'une barre d'acier de 7/8" étant de .6013, nous obtenons pour les 4 barres 2.40 pouces carrés.

 La surface de section du béton sera donc de 144" — 2.40 = 141.60 pouces carrés.

Or d'après la formule:

C = S [As + (n-1) As] on obtiendra la capacité de la colonne, d'où
C = 400 [141.60+ (15-1) 2.40] = 10,080 lbs. Capacité de la colonne: 70,080 lbs.

COLONNES CYLINDRIQUES

Dans une colonne cylindrique (hooped columns), l'armature en spirale est recouverte d'au moins 2" de béton (fig. 113).

Fig. 113 — Colonne cylindrique, en béton armé.

Bien entendu, le béton compris à l'intérieur de la spirale est considéré comme partie intégrante de la colonne. L'espacement des spires sera inférieur au sixième du diamètre de la spirale, ou au moins à 2 1/2" de distance.

Le volume d'acier de l'armature est le centième du volume du béton. Le coefficient de sécurité est donc égal à l'unité de l'effort de sécurité (safe unit stress) soit de 350 à 450 lbs au Po² selon la proportion du mélange de béton. La longueur d'une colonne cylindrique ne peut dépasser 8 fois son diamètre.

COLONNES EN CHAMPIGNON (mushroom system)

Voilà une adaptation de la colonne cylindrique dont les armatures verticales sont évasées au sommet de la colonne, et munies d'anneaux circulaires complétant l'évasement et répartissant la charge de la dalle supérieure sur les colonnes (fig. 114).

Fig. 114.— Colonne cylindrique dont le chapiteau est évasé en forme de champignon pour mieux répartir le support de la dalle supérieure.

COLONNES D'ACIER RENFORCÉES DE BÉTON ARMÉ

Dans une structure d'acier, surtout lorsqu'elle supporte des dalles en béton armé, il arrive souvent qu'on renforcisse les colonnes au moyen d'une armature entourée de 2\" à 3" de béton (fig. 115).

Fig. 115.— Colonne d'acier à laquelle un renforcissement en béton confère une plus grande rigidité en cas d'incendie.

LES POUTRES EN BÉTON ARMÉ (Reinforced concrète beams)

Le béton résiste peu à la tension ; en revanche, il offre une très grande résistance à la compression.

Si l'on place une armature d'acier (qui travaille tout aussi bien à la tension qu'à la compression) à l'endroit où s'exercent les efforts de tension et qu'elle soit suffisamment pourvue de béton pour résister aux efforts de compression, on obtient une armature combinée à l'épreuve du cisaillement, formant ainsi un membre de structure compacte et unique.

On obtiendra donc le tracé d'une pièce forte et économique.

II est reconnu que le béton adhère parfaitement à l'acier, surtout lorsque le métal est rugueux ou tordu, ou que ses extrémités forment angle d'ancrage dans le béton. Il ne peut alors y avoir de glissement entre le métal et le béton.

Une poutre en béton armé chargée jusqu'à rupture faillira dans l'espace de 1 à 3 jours:

1° par la rupture ou le fléchissement de l'acier près de la section correspondant au moment fléchissant maximum ; ou

2° par l'écrasement du béton au môme endroit ; ou

3° par une rupture due à la tension en diagonale du béton à l'endroit où le cisaillement se produit ; ou, plus rarement.

4° par la rupture par glissement des barres d'armatures, due au cisaillement du béton près d'un appui, quoique l'effort du cisaillement latéral soit supposé égaler celui du cisaillement vertical.

La résistance du béton ainsi que son module d'élasticité sont les agents variables de sa déformation.

On représente graphiquement les efforts à la compression dans une poutre, au moyen d'une courbe, qui ressemble à une portion de parabole naissant près des fibres extrêmes de la poutre. La ligne pointillée de la fig. 116 indique la direction des efforts de tension qui s'exercent dans la poutre.

Fig. 116.— Dessin schématique illustrant la répartition des efforts à la compression et à la tension dans une poutre.

COMMENT ÉTABLIR LA GROSSEUR D'UNE POUTRE RECTANGULAIRE EN BÉTON ARMÉ

II y a plusieurs méthodes pour établir quelle doit être la section d'une poutre en béton armé. On utilise généralement certaines formules, de concert avec des tables préparées selon le rapport du module d'élasticité de l'acier et du béton.

r = As/Ac

ou d'après le moment fléchissant maximum qui est, pour une poutre à charge uniformément répartie,

M= PL/8

Dans le cas d'une poutre uniformément chargée on suppose une section quelconque d'une poutre de longueur donnée. Connaissant le poids des charges morte et vive, appliqué sur la poutre, on peut établir son épaisseur, en tenant compte de sa hauteur.

Après calcul de la charge totale P, la charge morte et vive étant donnée, on obtient le moment fléchissant maximum M en utilisant la formule :

M= PL/8

La hauteur (H) de la poutre comprend d'abord (c), soit la partie entre la base de la poutre et l'armature, et qui varie de 1/2 à 2 1/2" de hauteur, suivant la grosseur de la poutre, puis (D), soit la distance entre l'armature et le sommet de la poutre. (Fig. 117).

Fig. 117.— Coupe d'une poutre en béton armé avec désignation de ses différentes parties pour servir à la compréhension du problème ci-dessous.

Connaissant la valeur de D, on obtient le moment d'inertie, en utilisant les données suivantes relatives au mélange du béton, son âge, et la surface d'acier.

 On multiplie ensuite par 5 la valeur du moment fléchissant maximum; ce produit divisé par la valeur du moment d'inertie, fournit l'épaisseur de la poutre. On pourrait donc établir la formule suivante:

E = (Mf x 5) / Mi

où E signifie l'épaisseur de la poutre,
Mf, le moment fléchissant maximum,
Mi, le moment d'inertie.

Pour trouver la surface de section de l'acier nécessaire à l'armature, nous voyons dans le tableau précédent qu'avec béton d'un mois

A.S = d/142

et avec du béton de 6 mois:

A.S = d/100

Connaissant la valeur de d, nous obtiendrons la section totale d'acier qu'il faudra répartir dans la poutre, suivant le diamètre des barres d'acier choisies.

La fig. 118 représente le moment fléchissant maximum, et la disposition générale des armatures.

Fig. 118.— Moment fléchissant maximum d'une poutre continue et disposition habituelle des armatures.

La fig. 119 illustre le moment fléchissant maximum d'une poutre avec charge concentrée.

Fig. 119.— Moment fléchissant maximum d'une poutre avec charge concentrée.

DALLES EN BÉTON ARMÉ

Pour établir la résistance ou l'épaisseur d'une dalle en béton (reinforced concrète slab), on procède comme avec les poutres. On peut considérer les dalles (slabs) comme une grande poutre en béton, ou comme une série de poutres en béton placées côte à côte, chaque poutre ayant sa propre armature, et une largeur égale à la distance de centre en centre des barres d'armature. (Fig. 120).

Fig. 120.— Disposition des barres d'acier constituant l'armature, dam les formes d'un plancher ou dalle en béton armé.

MOMENT FLÉCHISSANT MAXIMUM D'UNE DALLE

Les dalles construites d'une seule pièce, et munies, à part leur armature, de barres d'ancrage à leur sommet, au-dessus des supports, peuvent être considérées comme une poutre continue, dont on obtient le moment fléchissant maximum par la formule:

M = PL/8

lorsqu'elles sont uniformément chargées.

Si le plancher est carré, l'armature se croise dans les deux sens et est garnie au sommet de barres d'ancrage au-dessus des appuis.

La formule

M = PL/16

s'applique pour calculer le moment fléchissant de la dalle.

DISPOSITION DES ARMATURES

Les armatures d'une dalle consistent généralement en barres d'acier rondes, ou carrées, dont le diamètre varie de 1/2" à 5/8" selon la portée, et placées à intervalles réguliers variant suivant l'épaisseur et la portée de la dalle.

Fig. 121.— Vue de face et de côté d'une dalle en béton armé montrant la disposition des barres d'ancrage pliées et des barres d'expansion.

On pose aussi à intervalles réguliers des barres d'expansion de 5/16" à 3/8" de diamètre, que l'on fixe transversalement en-dessous des barres d'armatures. On utilise aussi à cette fin une latte métallique de fort calibre (fig. 122 et 123).

Fig. 122.— Latte métallique de fort calibre utilisée parfois à la place des barres d'acier pour constituer l'armature d'une dalle ou plancher en béton armé.

On garnit ensuite la poutre sur toute sa longueur d'étriers suffisamment gros et nombreux pour résister au cisaillement. Les étriers seront assez longs pour s'étendre en dessous des armatures inférieures de la dalle jusqu'à une profondeur de 2" à l'intérieur de celle-ci.

Fig. 123.— Coupe d'une dalle en béton dont l'armature est constituée par une latte métallique de gros calibre: a) sur poutres en béton armé; b) sur poutres d'acier noyées dans le béton.

Il faut poser les armatures des poutres en nombre suffisant et de la section indiquée, les plier suivant leur forme et les fixer à leur place respective. (Fig. 124).

Fig. 124.— Disposition des armatures dans une poutre de longue portée et susceptible de porter de fortes charges.

Leurs extrémités y seront pliées pour former un meilleur ancrage, l'espacement des étriers sera d'au moins quatre pieds ; ils se rapprocheront progressivement en direction des points d'appui, tout en conservant la distance nécessaire pour prévenir le cisaillement horizontal.

Les armatures des poutres prendront naissance au moins 18" au-dessus des points d'appui.

MISE EN OEUVRE DU BÉTON ARMÉ, LES FORMES

Les phases principales des travaux de béton armé se résument comme suit:

a) construction des formes en bois;
b) installation des armatures métalliques et des conduits électriques;
c) préparation du béton au dosage requis et mise en place autour des armatures;
d) démontage des formes et reprise des surfaces ;
e) finalement, épreuve de l'ouvrage complet.

La mise en œuvre du béton exige une surveillance attentive et absolument compétente. L'entrepreneur n'en confiera la charge qu'à un surveillant des travaux capable de bien interpréter les plans, connaissant la mise en œuvre du béton armé, les propriétés de divers matériaux, et doué d'un sens d'observation vif et minutieux.

Ce surveillant verra à ce que les travaux progressent rapidement et à ce que les matériaux soient dûment éprouvés en temps et lieu.

LES FORMES OU COFFRAGE

On construit les formes des colonnes et poutres en planches d'épinette de 1 1/4" d'épaisseur, blanchies et embouvetées.

Toutes les formes de dalles requièrent des planches d'épinette de 7/8", blanchies sur la face supérieure et bien délignées sur les côtés.

Ces formes devront être étanches, assises de niveau et d'aplomb, suffisamment étayées pour éviter toute déviation, et facilement démontables sans dommage pour l'œuvre.

On établit les formes des colonnes aux dimensions et à l'emplacement indiquées aux plans, après en avoir soigneusement marqué les axes. On les resserre au moyen de collets (clamps) assez nombreux pour neutraliser la pression du béton. Finalement, on étançonne l'ouvrage pour le maintenir en place.

Les parois des formes utilisées pour les poutres sont construites en planches de 1 1/4"; le fond, en planches de 2" embouvetées, reposant sur le haut des formes ou coffrages des colonnes et sur des étais disposés à tous les 3 ou 4 pieds.

Si la charpente est en acier, on pourra aussi suspendre les formes aux poutres au moyen de brides en broche de 3/16" placées à tous les 2 ou 3 pieds de distance.

Fig. 125.— Étais en forme de T qui servent à supporter les coffrages de poutres.
Courtoisie Jos. Turcotte, Ltée

Les étais se termineront en T, avec branches suffisamment longues pour excéder les formes des poutres et supporter de chaque côté des lisses de 3". Ces lisses maintiendront le bout de solives de 2" à 6" placées à tous les 18" à 20" pour recevoir les formes ou coffrages des dalles.

Le fond des formes des poutres sera légèrement concave au centre; le poids du béton l'aplanira par la suite, formant une poutre aux faces opposées parfaitement parallèles.

On enfoncera des coins de bois dur pour ajuster les étais que l'on clouera ensuite pour les maintenir en place.
S'il faut engendrer des angles rentrant dans le béton, l'on fait sur les angles des formes un léger chanfrein ; si l'on requiert des angles saillants, on utilise des tringles triangulaires afin de donner un chanfrein de 1 1/2" sur tous les angles du béton de poutres et colonnes.

Les formes doivent être bien propres, avant de recevoir les armatures et le béton. À cet effet, on pratiquera au bas des formes de toutes les colonnes, une ouverture par où s'assurer si le fond est absolument libre de copeaux, de bran de scie, etc., et les retirer le cas échéant. On ne scellera cette ouverture que tout juste avant la coulée du béton.

Lorsque le coffrage d'un étage est terminé, l'entrepreneur l'inspecte plans en main, puis marque les formes dès poutres conformément aux plans, afin que toutes les armatures soient posées à leur place respective.

Les armatures consisteront en barres rondes d'acier moyen, dont la résistance maximum est de 60,000 livres au pouce carré et la limite d'élasticité, de 30,000 livres.

Avec les barres tordues à froid (cold twisted bars), on se base sur les données du fabricant; en aucun cas la limite d'élasticité des barres de 3/8" ou 1/2" ne devra être inférieure à 55,000 livres au pouce carré.

On n'utilise que des barres exemptes d'oxydation, ou de déchets: huile, peinture, etc., qui empêcheraient le béton d'adhérer à l'acier.

Les armatures de dalles consistent en barres de 5/8" ou 1/2" posées à tous les 6" de centre en centre, et retenues par des barres d'expansion transversales de 3/8" ou 1/4" reliées avec du gros fil de fer à tous les 30" de centre en centre, — le tout disposé à 1/2 de la surface des coffres.

Les barres seront taillées de la longueur requise et se joindront en chevauchant au-dessus des poutres.

Des barres d'ancrage de 1/2" de diamètre et de 5 pieds de longueur sont disposées à tous les 12" de centre en centre au-dessus des poutres, et à 3/4" de la surface du béton.

À l'emplacement des murs, on recourbe à froid, à 6" de leur extrémité, ces barres qui forment ainsi ancrage dans les poutres des murs.

CANALISATIONS ÉLECTRIQUES DANS LE BÉTON

Les conduits pour fils électriques peuvent être posés dans le béton des planchers, mais avec raccordements et boîtes nécessaires aux endroits prévus aux plans. Ces tuyaux seront placés au-dessous des armatures si leur diamètre ne dépasse pas 5/8" ; on installera les autres au-dessus.

Tous ces conduits sont en fer malléable du type C-G-E, ou Condulet. Leur diamètre intérieur doit avoir au moins 3/8" ; aucune courbe sur leurs parcours ne doit présenter un rayon intérieur de moins de 3 1/2".

Tout conduit déformé ou tordu devra être rejeté.

On coupe les tuyaux à la longueur requise puis on en lime l'intérieur après filetage de leurs extrémités, afin d'éliminer les barbes.

Ces conduits sont assujettis aux boîtes métalliques au moyen d'écrous. On relie leurs sections au moyen de bagues vissant de gauche à droite, et on enduit leurs filets de rouge de plomb pour rendre les joints étanches.

On bouche les extrémités de tous les conduits pour empêcher le béton, l'eau ou autres corps étrangers de s'y introduire au cours des travaux.

Une fois les armatures et conduits électriques posés, on ne pourra couler le béton dans les formes avant que l'architecte n'ait inspecté le tout.

Pour faciliter cet examen, on posera les armatures une journée d'avance de même que les conduits électriques qui devront être acceptés par un représentant de l'Association des Assureurs (Underwriters).

Avant la coulée du béton on recommencera cette vérification verticale et horizontale, afin de pouvoir corriger aussitôt toute déviation des formes.

Le béton sera composé de ciment Portland de première qualité, de sable de rivière net, granuleux, exempt de glaise ou autres substances solubles et graisseuses; de pierres concassées de 3/4" provenant de roc dur, granit ou calcaire bien net.

Le dosage respectif de ces ingrédients sera de 1:2:4, c'est-à-dire 1 sac de ciment, 2 pieds cubes de sable et 4 pieds cubes de pierres concassées. On mélange le tout avec le plus grand soin à la pelle ou au moyen d'une bétonnière (malaxeur) munie de préférence d'appareils pour mesurage des ingrédients et de l'eau, d'un type dûment approuvé.

Dans les travaux importants, le béton, aussitôt préparé, est généralement acheminé vers les formes dans des brouettes à 2 roues (buggies) d'une verge cube de capacité, et aussitôt déversé dans les formes.

Aucun béton gâché depuis plus d'une heure ne peut être employé, de sorte que, si l'on peut utiliser du béton malaxé en cours de route (ready mix), la qualité du travail ne peut qu'y gagner.

Il faut voir à ce que les coffrages soient bien nets et humectés avant la coulée du béton que l'on exécute avec le plus grand soin pour ne pas déplacer les armatures ; il faut aussi s'assurer que celles-ci demeurent dans le béton à l'emplacement voulu et qu'elles en soient bien entourées.

Fig. 126.— Vaste structure du Sanatorium de Mont-Joli entièrement construite en béton armé. On voit ici l'aspect général du chantier au moment où les travaux atteignaient le premier étage.
Courtoisie Jos. Turcotte, Ltée

S'il faut interrompre la coulée d'un plancher, on effectue les reprises au centre des travées. Pour bien relier le nouvel ouvrage à l'ancien on pique l'about de celui-ci, on l'humecte, puis on l'enduit d'une couche de ciment.

Il faut installer dans le plancher de béton, aux endroits prévus à cette fin, des bagues en tôle de 2" à 3" de diamètre, par où passera la tuyauterie des appareils de chauffage.

Flg. 127.— Autre vue du Sanatorium montrant divers stages des opérations. On observera la façon soigneuse dont les matériaux sont protégés du froid par une bâche au premier plan et dont le béton fraîchement coulé l'est au troisième étage. Alors que le lambris est posé à partir du sol, les coffrages ont été enlevés au deuxième étage, mais ils ont été laissés aux étages supérieurs afin de permettre au ciment de durcir suffisamment.
Courtoisie Jos. Turcotte, Ltée

Une fois terminés, les planchers de béton sont humectés de temps en temps pendant une couple de semaines. On ne décoffrera qu'après durcissement de 3 semaines environ.

On dispose les formes des planchers de manière à pouvoir les enlever sans déplacer les étais des poutres qui resteront en place jusqu'à ce que le béton du plancher supérieur ait durci pendant 2 ou 3 semaines.

On ne décoffrera qu'après 3 semaines les colonnes et côtés de poutres. On ne peut jamais enlever les formes ni les supports sans l'autorisation de l'architecte.

Il faut reprendre et lisser le mieux possible la surface du béton des plafonds, poutres et colonnes.

Les planchers offriront une résistance minimum de 150 livres au pied carré. On les éprouve au moyen d'une charge de 100 livres au pied carré, placée en divers endroits de la surface.

CHARPENTES MÉTALLIQUES

Les colonnes d'acier

Les colonnes de charpentes métalliques sont ordinairement faites en acier laminé en forme de H lorsque la charge concentrée sur la colonne n'est pas excessive.

Dans les grosses charpentes, les colonnes sont généralement constituées de pièces d'acier laminé de diverses sections et rivetées ensemble ; elles sont en forme de L, d'U ou de Z.

Il faut les établir pour qu'elles aient la plus grande résistance possible, tout en employant le minimum de métal.
Les différentes connexions qui unissent poutres et solives aux colonnes sont disposées de manière à faciliter leur assemblage.

Les connexions sont agencées afin d'admettre suffisamment de rivets pour éviter le cisaillement de la structure. La fig. 128 illustre les sections de colonnes d'acier les plus employées.

Fig. 128.— Diverses formes de colonnes d'acier utilisées dans la construction.

Dans une charpente d'acier, les colonnes à charge concentrée peuvent être établies d'après la formule suivante:

La capacité d'une colonne d'acier médium par pouce carré est de :

Acier moyen de charpente en compression axiale — valeur obtenue d'après la formule:

20 000 - 70 - L/R

mais ne devant pas dépasser 18,000.

L = la longueur en pouces de la colonne non supportée.

R = le plus petit rayon de giration donné par la section.

Application:

Soit une colonne de 16 pieds de longueur avec surface de section de 14.98 pouces carrés, et le plus petit rayon de giration 1 1/2 pouces.

Solution:

Capacité de la colonne par pouce carré:

20 000 - (70 x 192) / 1.5 = 11 040 lbs.

Capacité de la colonne :

11 040 X 14.98 = 165,379 lbs.

EMPLOI DE L'ACIER POUR LES POUTRES

On emploie souvent avec avantage les poutres (beams) d'acier laminé en forme de I.

La hauteur, l'épaisseur et le poids de ces poutres doivent varier selon leur portée, leur espacement et leur charge, uniformément répartie ou concentrée.

Ces poutres varient de 6" à 20" de hauteur.

L'on peut même se procurer des fers en I de 30" à 36" de hauteur ; les poutres métalliques en I de 3" à 6" servent dans les constructions ordinaires pour les ouvertures, et comme charpentes d'acier, comme contrevents dans les charpentes d'acier, de concert avec les fers U (channel) dont la hauteur varie de 3" à 15".

Le poids des principales poutres en I, au pied linéaire et selon leur hauteur, est de:

En se référant aux tables fournies par les fabricants, on obtient la résistance maximum des diverses poutres ainsi que leur coefficient de sécurité selon leurs hauteur, poids et portée.

RÉSISTANCE DES POUTRES D'ACIER

La résistance d'une poutre d'acier est proportionnelle à sa largeur et au carré de sa hauteur. Il est donc avantageux d'en accroître surtout la hauteur lorsqu'il n'y a pas d'inconvénient.

Dans les poutres droites chargées normalement, il faut voir à ce qu'aucun point de la poutre ne supporte de charge supérieure au coefficient de sécurité.

En conséquence, on cherche d'après le mode de distribution quelle est la section soumise au plus grand effort, puis, dans cette section même quelles sont les fibres les plus chargées.

On détermine ensuite les dimensions qu'il faut accorder à la section pour que la charge de ses fibres ne dépasse pas la résistance de sécurité.

Comme la majeure partie d'une charpente d'acier se résume à l'emploi de colonnes, poutres et poutrelles et que leurs charges de sécurité (si elles sont chargées uniformément) sont indiquées dans les tables spéciales mentionnées ci-dessus, le calcul se résume aux pièces de raccordement, à la grosseur et au nombre des rivets à employer.

Ces tables fournissent les charges de sécurité des poutres, y compris leur propre poids. Ces données sont basées sur le maximum de résistance à la flexion de l'acier à 16,000 livres de pression au pouce carré, soit As x 16,000 —chiffres fournis en tonnes de 2000 livres.

Dans aucun cas la portée des poutres n'excédera 80 fois la largeur de leur semelle (flange).