Béton armé, des simples pots aux bâtiments les plus hauts du monde 
En ce jour – 16 juillet 2018 – Joseph Monier brevète le béton armé en 1867
Béton armé
Le principe derrière les conceptions qui composent les structures en béton armé d’aujourd’hui a en fait commencé en 1867 lorsque Joseph Monier a exposé des jardinières en béton armé à l’Exposition de Paris. Monier obtient son premier brevet le 16 juillet 1867 sur des auges renforcées de fer pour l’horticulture. En 1875, le premier pont en béton armé de fer a été construit au château de Chazelet, France ; Monier a servi de concepteur. Le premier gratte-ciel en béton armé aux États-Unis, l’Ingals Building, a été construit à Cincinnati en 1903 à l’aide d’acier d’armature constitué de tiges de fer carrées torsadées.
À mesure que les conceptions de bâtiments deviennent plus complexes et que l’ingénieur recherche des caractéristiques de conception innovantes, il est important que l’ingénieur de conception et les entrepreneurs impliqués reconnaissent les tolérances de conception et de construction dont les deux parties doivent être conscientes afin d’éviter les problèmes de constructibilité.
Avec l’utilisation de grands diamètres de barres, de crochets pour barres d’armature et de crochets d’attache (même avec l’utilisation de têtes en T pour réduire l’encombrement), la géométrie de renforcement réelle peut être beaucoup plus encombrée que ce qui apparaîtrait sur les dessins d’atelier de structure et de fabrication. Ce type de congestion invisible peut non seulement avoir un impact sur l’entrepreneur de renforcement, mais aussi sur l’entrepreneur de béton dans sa capacité à obtenir une consolidation du béton appropriée, même avec l’utilisation de tailles d’agrégats et de conceptions de mélange spéciales. Même avec les crochets à 90 degrés spécifiés remplacés par des têtes en T, il y a toujours une congestion importante.
La section 21.2.3 de l’American Concrete Institute (ACI) 318 stipule : « Lors de la sélection de la taille des éléments pour les structures parasismiques, il est important de prendre en compte les problèmes liés à la congestion des armatures. Le concepteur doit s’assurer que toutes les armatures peuvent être assemblées et placées et que le béton peut être coulé et consolidé correctement. L’utilisation des limites supérieures des taux de renforcement autorisés est susceptible d’entraîner des problèmes de construction insurmontables, en particulier au niveau des joints de cadre. »
La norme ACI trouvée dans ACI 315 fournit des normes pour le développement des dessins de structure ainsi que pour les dessins de placement.
La section 2.10 de l’ACI 315-99 stipule : « Il est important que l’architecte/ingénieur examine attentivement les dispositions de l’acier d’armature en trois dimensions et donne au dessinateur les informations appropriées. Cet examen montrera une congestion au niveau des joints poutres-poteaux des armatures de poutre, de poteau et de cerceau. Des dessins à grande échelle, des modèles ou des maquettes de détails de joints peuvent être utiles pour s’assurer qu’une conception peut être assemblée et que le béton peut être placé.
Les barres qui se croisent dans trois plans nécessitent un dégagement adéquat. Le « Manual of Standard Practice » 4.6.8 du Concrete Reinforcing Steel Institute (CRSI) stipule : « Lorsque des poutres et des joints ou des dalles se croisent dans le même plan, indiquez les dégagements requis pour permettre le passage des barres d’armature. Les dégagements des barres doivent également être indiqués aux intersections des poutres et des poteaux. »
La responsabilité d’identifier les problèmes potentiels de constructibilité n’incombe souvent pas uniquement à l’architecte/ingénieur. Au fur et à mesure que la complexité des conceptions structurelles augmente, les spécifications du projet exigeront souvent que le dessinateur de la section 3200 identifie les zones de congestion, ce qui impose un certain fardeau au dessinateur de renforcement du projet. L’avènement de la modélisation 3D et du BIM contribue à atténuer ces problèmes, mais son utilisation est encore nouvelle et souvent les contraintes de temps du projet peuvent empêcher sa pleine utilisation.
ACI et CRSI abordent l’importance de la tolérance de fabrication et d’installation pour l’architecte/ingénieur, le fabricant et l’installateur du projet. Ces spécifications ACI fournissent les normes que les parties du projet sont tenues de suivre. Souvent, ces tolérances entrent en conflit les unes avec les autres et une reconnaissance précoce réduira les problèmes potentiels.
L’identification et l’application précoces des codes ACI et des normes CRSI peuvent atténuer les problèmes potentiels avant qu’ils n’affectent la construction.
Joseph Monier (8 novembre 1823, Saint-Quentin-la-Poterie, France – 13 mars 1906, Paris) était un jardinier français et l’un des principaux inventeurs du béton armé.
Le béton est un matériau utilisé dans la construction de bâtiments, composé d’une substance particulaire dure et chimiquement inerte, connue sous le nom d’agrégat (généralement composé de différents types de sable et de gravier), qui est liée par du ciment et de l’eau.
Les Assyriens et les Babyloniens utilisaient l’argile comme substance de liaison ou ciment. Les Égyptiens utilisaient de la chaux et du ciment de gypse. En 1756, l’ingénieur britannique John Smeaton a fabriqué le premier béton moderne (ciment hydraulique) en ajoutant des cailloux comme agrégat grossier et en mélangeant de la brique alimentée dans le ciment. En 1824, l’inventeur anglais Joseph Aspdin a inventé le ciment Portland, qui est resté le ciment dominant utilisé dans la production de béton. Joseph Aspdin a créé le premier vrai ciment artificiel en brûlant ensemble du calcaire broyé et de l’argile. Le processus de combustion a modifié les propriétés chimiques des matériaux et Joseph Aspdin a créé un ciment plus résistant que ce que produirait l’utilisation de calcaire broyé ordinaire.
L’autre partie majeure du béton en plus du ciment est l’agrégat. Les agrégats comprennent le sable, la pierre concassée, le gravier, les scories, les cendres, le schiste brûlé et l’argile brûlée. Le granulat fin (fin fait référence à la taille du granulat) est utilisé dans la fabrication de dalles de béton et de surfaces lisses. Les granulats grossiers sont utilisés pour les structures massives ou les sections de ciment.
Le béton qui comprend du métal intégré (généralement de l’acier) est appelé béton armé ou béton armé. Le béton armé a été inventé (1849) par Joseph Monier, qui a obtenu un brevet en 1867. Joseph Monier était un jardinier parisien qui fabriquait des pots et des bacs de jardin en béton armé d’un treillis de fer. Le béton armé combine la résistance à la traction ou à la flexion du métal et la résistance à la compression du béton pour résister à de lourdes charges. Joseph Monier a exposé son invention à l’Exposition universelle de Paris de 1867. Outre ses pots et ses bacs, Joseph Monier a promu le béton armé pour une utilisation dans les traverses de chemin de fer, les tuyaux, les planchers, les arches et les ponts.
1867 : F. Joseph Monier brevète un nouveau matériau de construction : le béton armé. Il combine la résistance à la compression du béton ordinaire avec la résistance à la traction du fer. Les anciens Égyptiens ont découvert que l’ajout de chaux et de mortier de gypse rendait les pyramides plus solides que la simple fabrication de briques avec de la boue et de la paille.
Fresh provocation from Azerbaijan. Yesterday, Azerbaijani military forces installed a concrete barrier to block the road of life (for 120,000 people including 30,000 children) connecting Nagorno Karabakh with Armenia (Lachin Corridor). This was done amid the decision of The Hague… pic.twitter.com/msDLqUwdFG
— Edmon Marukyan (@edmarukyan) June 23, 2023
Béton armé, des simples pots aux bâtiments les plus hauts du monde
On le rencontre presque partout et on n’y pense même pas. Le remplacer par un autre matériau de construction est presque impossible. Oui, nous parlons de béton armé. Un matériau composite utilisé dans la construction depuis plus de 170 ans. Nous vous proposons les premiers petits voyages dans l’histoire de l’architecture et de la construction.
C’est un matériau tellement courant et utilisé si souvent que la plupart des ingénieurs n’y pensent pas en profondeur. Pour la plupart d’entre nous, il ne s’agit que d’un matériau qui doit répondre aux paramètres requis sous différentes formes. Mais en travaillant avec, vous êtes-vous déjà demandé de quel pays il venait ? Ou quelle est l’histoire d’un matériau sans lequel de nombreux bâtiments de renommée mondiale n’auraient jamais été construits ?
Pour cet article, laissons de côté les problèmes d’ingénierie complexes, les évaluations de conception et de structure, l’analyse des charges et l’application des normes. Faisons ensemble un petit voyage dans l’histoire et voyons d’où vient ce matériau, ses origines et comment il s’est développé en donnant naissance à une quantité incroyable de bâtiments utiles et admirables.
Comme son nom l’indique, le béton armé ancien comprenait deux composants essentiels : le fer et le béton. Avant de discuter du béton armé lui-même, jetons un coup d’œil sur le béton. Cela est connu de l’humanité depuis plus de 2000 ans.
Les avantages du béton ont déjà été utilisés par les Romains (certains disent les Égyptiens). Certains des bâtiments qu’ils ont construits en l’utilisant sont encore debout aujourd’hui. Un excellent exemple est le plus grand dôme monolithique du monde sur le Panthéon de Rome (image ci-dessous), qui a été construit à l’aide de la technologie du béton coulé sur place au IIe siècle après JC. Ce n’est pas le seul exemple d’adoption précoce du béton : il existe de nombreuses structures similaires dans le monde.
Il est donc surprenant que l’idée de renforcer le béton avec des éléments en fer ne soit apparue qu’au XIXe siècle. Avec une certaine exagération, cette période peut être appelée la période de la Renaissance technique. Outre le béton armé, l’utilisation de l’acier a également révolutionné la construction. Il a commencé à apparaître à plus grande échelle sous la forme d’éléments porteurs peu de temps avant le béton armé lui-même.
Au XIX e siècle, plusieurs pionniers expérimentent le béton armé. Parmi les premiers et les plus importants figure l’Anglais William Boutland Wilkinson, qui a expérimenté des solutions d’ignifugation dans la construction de bâtiments. En 1854, il a utilisé des tiges d’acier et des cordes pour renforcer le béton dans la construction d’une maison pour ses serviteurs. Il a breveté une solution qui a fait ses preuves.
Un autre pionnier était l’industriel français François Coignet, le premier à construire un bâtiment de quatre étages entièrement en béton armé dans la ville française de Saint-Denis en 1853. Il a également breveté sa solution en 1855.
On peut dire que le premier « ancêtre » du béton armé tel que nous le connaissons aujourd’hui, qui combine efficacement le meilleur des deux matériaux, à savoir la résistance à la compression du béton normal avec la résistance à la traction du fer, date de 1867. A cette époque, un jardinier français, Joseph Monier (image ci-dessous) cherchait un remplaçant pour les pots en argile et en bois. Il a essayé d’en fabriquer des en béton, mais ils se sont fissurés – alors, il a essayé de trouver un moyen de les rendre suffisamment solides.
Il a eu l’idée d’utiliser une simple structure en fer, qu’il a ensuite recouverte de béton. Le résultat dépasse toutes les espérances et Joseph Monier fait breveter sa solution le 16 juillet 1867.
Il expose même son invention à l’Exposition universelle de Paris cette année-là, où sa solution rencontre un grand succès. C’était en juillet de cette année (2022) que ce brevet a fêté son 155e anniversaire .
Le béton armé a ensuite explosé dans l’industrie de la construction dans le monde moderne. Il s’est propagé aux États-Unis avant la fin du siècle.
Il est rapidement devenu un matériau utilisé dans tous les types de bâtiments – des routes et des maisons aux bâtiments monumentaux des plus grandes agglomérations du monde. Parallèlement à cette expansion, cependant, les demandes sur ses propriétés ont augmenté. Le béton, en tant qu’élément essentiel, a connu une évolution révolutionnaire au fil des années. Les ingénieurs ont expérimenté la composition et le chargement, de nouvelles nuances ont été créées et les possibilités d’utilisation dans divers environnements se sont étendues.
Par conséquent, tout comme la technologie de production du béton a évolué et ses propriétés se sont améliorées, la même évolution s’est produite dans les méthodes de calcul des structures en béton.
Chaque structure contient des zones dites B et D, qui se caractérisent par une approche de conception différente.
Que sont les zones B ?
Les régions B peuvent être définies comme des régions dans lesquelles l’hypothèse de Bernoulli-Navier est valable, qui suppose qu’une section transversale plane avant déformation reste plane après déformation. Pour ces régions, la solution et le jugement donnés dans les normes peuvent être utilisés en toute sécurité. IDEA StatiCa RCS et IDEA StatiCa Beam offrent des solutions pour les zones B dans lesquelles la théorie des faisceaux est valide.
Que sont les zones D ?
Les endroits où l’hypothèse de Bernoulli-Navier ne tient pas sont appelés régions de discontinuité ou régions de failles : les régions D. Ce sont des zones de mise en place, autour de poutres isolées, des lieux de changements brusques de sections transversales, de trous, etc. Dans la conception des structures en béton, nous rencontrons un certain nombre d’autres zones D telles que les murs, les poutres de pont, les porte-à-faux courts, etc.
Malgré le développement de plusieurs outils de calcul au cours des dernières décennies, la méthode strut-and-tie est encore utilisée dans les calculs manuels. Cependant, son application à des structures réelles prend du temps, car plusieurs itérations doivent être effectuées et plusieurs cas de charge doivent également être pris en compte. De plus, cette méthode est inadaptée à la vérification des critères d’aptitude au service (déformations, largeurs de fissures, …).
Ces défis et d’autres similaires liés à l’analyse des structures en béton ont amené les entreprises à collaborer avec le monde universitaire. IDEA StatiCa a suivi la même approche et, en collaboration avec l’ETH Zurich , IDEA StatiCa a développé et testé de manière approfondie une méthode appelée Compatible Stress Field Method (CSFM) pour la conception des régions de discontinuité.
Cette méthode a été implémentée dans l’ application IDEA StatiCa Béton et est basée sur une implémentation informatique d’un modèle de champ de contraintes et utilise les propriétés de base des matériaux spécifiées dans les normes de conception du béton. CSFM surmonte les limites des approches classiques et peut être considérée comme une méthode d’analogie de ferme généralisée, mais dans laquelle les régions réellement sollicitées sont considérées à la place des forces résultantes.
Le béton et le béton armé sont ainsi devenus un matériau dont l’utilisation est souvent précédée d’analyses complexes. Les premiers pionniers qui l’ont expérimenté n’auraient certainement pas deviné l’ampleur des fondations qu’ils posaient à l’industrie et l’évolution de la construction en béton armé.
Quel est l’avenir du béton armé ? Selon le professeur Kolísko, directeur de l’ Institut Klokner à Prague, le béton armé est si largement utilisé et est un matériau si facile à utiliser que nous ne pouvons pas nous attendre à son remplacement prochainement. Cependant, il y aura une optimisation plus fréquente des structures en béton liée à l’utilisation plus économique du ciment, qui contribue de manière significative à ce que l’on appelle l’empreinte carbone.
L’avenir sera sans doute au BFUP (béton à ultra-haute résistance) qui est déjà expérimenté et donne des résultats prometteurs pour l’optimisation des structures en béton.
Nous sommes ravis que notre application IDEA StatiCa et d’autres fassent partie de cette histoire. Depuis plusieurs années, nous aidons les ingénieurs du monde entier à concevoir et à optimiser des structures en acier et en béton, ce qui permet de gagner du temps dans la conception et la vérification du code de tous les éléments en béton.
Béton armé
En 1867, le béton armé est breveté par F. Joseph Monier (1823-1906), jardinier à Paris, pour renforcer bacs, poutres et poteaux de jardin. L’inventeur français avait découvert que la faiblesse à la traction du béton brut pouvait être surmontée si des tiges d’acier étaient noyées dans un élément en béton. Le nouveau matériau composite s’appelait béton armé ou béton armé. William E. Ward construit (1871-1875) le bâtiment historique, le premier aux États-Unis à utiliser du béton armé, pour une maison privée à Port Chester, New York. Il a été conçu par l’architecte Robert Mook.
Le premier pont en béton armé au monde
Joseph Monier dépose en 1867, à Paris, plusieurs brevets dans le domaine du fer armé, dont un pour « un système de bassins mobiles en fer et en ciment applicable à l’horticulture ». Le 13 août 1873, Joseph Monier dépose un addenda à son brevet de 1867 intitulé « Application à la construction de ponts et passerelles de toutes dimensions ».
En 1875, à la demande du propriétaire du château de Chazelet, l’architecte Alfred Dauvergne demande à Joseph Monier de concevoir et de construire un pont en béton armé pour franchir les douves du château.D’une longueur de 13,80 m et d’une largeur de 4,25 m, ce pont est le premier pont en béton armé au monde et est inscrit à l’ inventaire supplémentaire des monuments historiques.