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 Bulletins techniques
avril 2014

Le comportement structural du béton

Par Olivier Biron ing.,

L'acier d'armature permet de conserver temporairement l'intégrité d'un élément lors de la rupture par compression. (source : Geotechnical Extreme Events Reconnaissance)

Reconnu pour sa grande solidité, le béton a pourtant certaines faiblesses qui doivent être considérées lors de la conception des éléments qu'il compose.

Le béton est à la base un matériau composite formé de trois ingrédients, le ciment Portland, l'eau et les granulats (sable et pierres). Au contact de l'eau, le ciment Portland s'hydrate pour former une matrice rigide qui lie les granulats ensemble. Le résultat est un matériau ayant une résistance relativement constante dans toutes les directions. Il possède une importante résistance aux efforts de compression, cependant, lorsque soumis à des efforts de traction, sa capacité est beaucoup plus faible et la rupture est généralement soudaine.

Rupture en flexion d'un mur de fondation à la suite de travaux d'excavation modifiant les conditions d'appui.

Afin d'augmenter la résistance en traction et la ductilité (capacité de se déformer avant la rupture) d'un élément de béton, on utilise de l'armature, constituée de barres d'acier, de fibres de verre ou encore de carbone. Contrairement au béton, l'armature possède une excellente résistance à la traction. Son utilisation permet d'augmenter la capacité d'éléments de plus petite taille et de masse inférieure, mais également de contrôler la fissuration du béton.

Il faut comprendre qu'armé ou pas, le béton en service est normalement fissuré. Parfois invisibles à l'oeil nu, parfois très larges, les fissures dans le béton, si bénignes soient-elles, peuvent semer l'inquiétude chez les usagers d'un ouvrage.

L'effondrement du viaduc de la Concorde s'est produit à la suite d'une rupture en cisaillement du tablier, près d'un appui. (Source : Le Devoir).

Afin de juger de la sévérité des fissures, l'ingénieur en structure doit analyser le comportement structural des éléments en béton. Ces derniers peuvent être sollicités principalement de quatre façons : la compression, la traction, la flexion et le cisaillement. Il existe d'autres formes de sollicitation, moins fréquentes. On pense par exemple à la torsion ou à la plastification des connexions lors d'un séisme. Ceux-ci ne seront pas traités dans le présent bulletin.

Le béton est sollicité en compression lorsqu'une poussée est appliquée sur deux faces opposées. Cet effort de compression peut s'effectuer dans l'axe longitudinal d'un élément, comme dans le cas d'une colonne, ou dans l'axe transversal, pour une semelle de fondation. La résistance en compression constitue le point fort du béton. Lorsque l'effort dépasse les capacités d'un élément comprimé, ce dernier risque de briser ou d'éclater. L'utilisation d'armature permet de contenir l'éclatement. La défaillance devient donc visible avant la rupture, ce qui permet souvent d'éviter des catastrophes. Un moyen d'améliorer la résistance à la compression d'un élément, outre remplacer le béton par un mélange à plus haute résistance, est d'en augmenter la surface pour répartir la charge. On concevra donc des éléments plus gros, ou ajouter des éléments.

Les différents modes de rupture du béton.

La traction constitue habituellement le talon d'Achille du béton. En effet, sa capacité en traction ne dépasse guère 10% de sa résistance en compression. L'emploi d'armature est alors nécessaire pour augmenter la capacité en traction du béton. Les efforts de traction sont plus souvent retrouvés dans les éléments fléchis.

En effet, la flexion n'est rien d'autre que la combinaison de compression et de traction dans un même élément. Une poutre constitue le meilleur exemple. Le chargement est appliqué transversalement à la pièce, appuyée aux extrémités. À mi-portée, on retrouvera alors un phénomène de compression dans la partie supérieure de la poutre, et un effort de traction dans la partie inférieure. Le même principe s'applique aux dalles structurales et aux murs de fondation. Comme nous l'avons vu précédemment, le béton est plus faible en traction. Par conséquent, les indices d'un problème de capacité sont souvent visibles du côté tendu, où apparaitront des fissures transversales dans le cas d'une poutre, et verticales dans le cas d'un mur de soutènement. Puisqu'il n'est pas possible d'ajouter de l'armature à l'intérieur d'un bloc de béton a posteriori, la mise en place de renforts (des plaques d'acier par exemple) ancrés mécaniquement est recommandée dans la portion tendue de l'élément. Depuis quelques années, les développements en matière de matériaux composites ont permis l'avènement de plaques de fibre de carbone comme moyen de renfort. Cette pratique s'avère efficace, mais peut être moins avantageuse sur le plan économique que l'acier dans certains cas. Elles ont cependant leur place dans les ouvrages où la corrosion est un enjeu important, comme par exemple les constructions exposées aux sels de déglaçage.

Finalement, le mode de sollicitation le plus méconnu du grand public est sans doute le cisaillement. Il peut se manifester par des fissurations près des appuis d'une poutre. Une fissure verticale près de la jonction entre deux murs de fondation perpendiculaires pourrait également être un signe d'un problème de cisaillement. Le cisaillement est un point critique lors de la conception d'ouvrages en béton puisque la rupture est souvent soudaine. On n'a qu'à penser au viaduc de la Concorde, qui s'est effondré peu de temps après la visite d'inspecteurs. Qui plus est, les travaux correctifs sont peu nombreux et souvent difficiles à mettre en place.

Conclusion

Le béton est un matériau dont les propriétés et la qualité sont très variables. Il est donc important de prendre le temps de bien identifier la cause d'une fissure pour déterminer si des travaux sont nécessaires ou non. Une étude approfondie par un ingénieur permet de trouver réponse à cette question et d'apporter, le cas échéant, les correctifs appropriés.