Structure Les différentes typologies d’armatures du béton

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La construction moderne ne saurait s’en passer. Un bâtiment en béton armé consomme 40 à 80 kg d’acier par mètre cube. Une proportion qui peut atteindre 200, voire 300 kg par mètre cube pour les ouvrages les plus sollicités. Aujourd’hui, les armatures sont soit fabriquées sur mesure, soit disponibles sur catalogue.

L’idée d’armer le béton s’inscrit dans l’histoire récente de ce matériau, que les Romains utilisaient déjà sous forme de mortier dans la masse de leur construction mais dont la recette s’était perdue. On doit les premières utilisations d’armatures métalliques à une poignée d’entrepreneurs audacieux ayant pressenti dès les années 1850 le caractère innovant de l’association acier-béton. À l’empirisme des débuts succède un important travail de recherche et de caractérisation qui met en lumière la compatibilité des deux matériaux. Selon Mouloud Behloul, directeur innovation chez Lafarge France, celle-ci s’opère sur trois aspects : « Le premier est la dilatation thermique. Sous l’effet des variations de température, le béton et l’acier se dilatent ou se rétractent dans le même sens, sans générer ni délamination ni pathologie. Leurs coefficients de dilatation sont à peu près équivalents. Le deuxième point concerne la durabilité. À l’air libre, l’acier se corrode. Noyé dans le béton, il est protégé par un pH basique, de l’ordre de 13 ou 14, et ne rouille pas. Le troisième et dernier aspect est d’ordre mécanique. Si le béton affiche une très bonne résistance en compression - il peut supporter des charges de plus de 100 MPa -, il a une faible résistance à la traction. L’acier la lui confère ».

Aux premières heures du béton armé, les armatures étaient de simples grillages à poule, avant de devenir des tiges lisses, des « fers » à béton comme on avait coutume de les appeler. Le remplacement progressif du fer par l’acier a permis un important gain de performances, qu’une meilleure maîtrise de la fabrication n’a fait que renforcer. « La limite d’élasticité de la plupart des armatures pour bâtiment atteint aujourd’hui 500 MPa. Elle était de 400 MPa il y a vingt-cinq ans, et de 200 MPa il y a une quarantaine d’années. Les fibres utilisées dans les nouveaux bétons à ultra-hautes performances affichent, quant à elles, plus de 1 000 à 2 000 MPa », résume Mouloud Behloul.

Une haute adhérence grâce au relief

Les progrès se situent également au niveau de l’adhérence de l’acier au béton que le recours à des aciers à relief a amélioré. « Le crantage par des reliefs en hauteur, les "verrous", ou en creux, les "empreintes", évite qu’ils ne glissent dans le béton et assure une meilleure transmission des efforts entre les deux matériaux », note Jean-Michel Sohm, directeur industriel de la Société nouvelle des armatures assemblées Mure (Snaam).
Aujourd’hui, « entre 1 et 1,5 million de tonnes d’armatures est utilisée chaque année par le secteur du bâtiment », précise Hervé Tersen, directeur général de l’Association professionnelle des armaturiers (APA). Les aciers pour béton armé proviennent de barres de grande longueur (6 à 12 m) ou de couronnes de fil, ayant fait l’objet d’un laminage à chaud ou à froid, et d’un crantage. Chaque acier est identifiable par un marquage qui permet de remonter jusqu’à l’usine de production et confère ainsi une traçabilité en cas de sinistre.
La norme NF A-35-080 établit plusieurs critères pour distinguer les aciers (lire l’encadré ci-contre). Les nuances les classent ainsi en fonction de leur ductilité, c’est-à-dire leur capacité à s’allonger avant de casser. Les plus utilisées sont les B500A et B500B, appellations qui remplacent les anciennes Fe TE 500, FeE500-2 et FeE500-3, avec une prédominance de l’acier B500B à la suite du dernier découpage sismique du territoire français. Avec un allongement à rupture deux fois plus élevé que celui du B500A, l’acier B500B permet au bâtiment d’absorber davantage d’énergie en cas de séisme. En revanche, « l’acier inoxydable reste peu utilisé, du fait d’un coût élevé. Il est réservé à des applications spécifiques nécessitant des propriétés anticorrosion, par exemple certains rupteurs thermiques préfabriqués, ou amagnétiques, comme dans les salles de radar, radio, scanner ou d’imagerie médicale », rappelle Hervé Tersen.
Tous les aciers pour béton armé se caractérisent par leur limite d’élasticité (Re), leur résistance à la traction (Rm), leur allongement sous charge (Agt), ainsi que leurs caractéristiques géométriques (diamètre, masse linéique, relief).

Des produits sur plans ou prêts-à-l’emploi

Les armatures pour béton armé sont des assemblages d’aciers filants coudés ou non qui assurent la reprise des efforts de traction et de flexion, et de cadres, étriers ou épingles qui reprennent les efforts tranchants ou de cisaillement. Elles sont complétées par des produits connexes : coupleurs, goujons, boîtes d’attente, écarteurs de nappes, etc. Les treillis soudés ne sont pas considérés comme des armatures mais comme des aciers pour béton armé qui s’utilisent tels quels dans le ferraillage des planchers.
Il existe deux grandes familles : d’un côté, les armatures sur catalogue ou prêtes à l’emploi ; de l’autre, les armatures sur plans. Principalement destinées à la maison individuelle ou au petit collectif, les premières sont fabriquées à grande cadence et distribuées par les réseaux de négoce et marchands de matériaux. Elles sont utilisées sur des chantiers à faibles descentes de charges et font l’objet de calculs simplifiés, d’où un diamètre standard de 7, 8, 10 ou 12 mm pour les aciers filants et de 5 mm pour les cadres. Les maisons traditionnelles étant le plus souvent réalisées en parpaings, les armatures se réduisent à la réalisation de chaînages, longrines et autres linteaux, poutres, chevêtres, etc. Les armatures sur plans, elles, sont fabriquées à la demande, le plus souvent dans des ateliers spécialisés, et parfois sur chantier. Elles répondent aux besoins de la plupart des chantiers de construction en béton armé et utilisent pour cela des aciers standard dont le diamètre mesure 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 32 et 40 mm.
Avant de fabriquer une armature sur plans, ou de choisir un produit sur catalogue, il faut connaître la section d’acier nécessaire par mètre linéaire ou mètre carré de béton, laquelle est fonction des descentes de charges et des efforts appliqués sur l’ouvrage. Le dimensionnement est réalisé par des BET structure sur la base de l’Eurocode 2, complété de l’Eurocode 8 lorsque la construction est soumise aux règles parasismiques. Comme l’explique Jean-Michel Sohm, « les Eurocodes définissent deux calculs aux états limites. Le premier est celui à l’état limite de service [ELS], qui correspond à ce que vit un bâtiment tous les jours et consiste à vérifier que l’acier travaille nettement en dessous de sa limite d’élasticité de 500 MPa. Le second est un calcul à l’état limite ultime [ELU]. Au-delà, le bâtiment peut être dégradé. Le dimensionnement selon l’Eurocode 8 consiste à vérifier qu’il ne va pas s’écrouler sur les occupants ».
Cependant, relève Hervé Tersen, « dans le cadre des anciennes règles BAEL, la répartition des armatures était réalisée à partir d’abaques. En fonction de la section d’acier calculée, celles-ci fournissaient : le nombre d’aciers, le type de barre, les cadres, la longueur des ancrages, etc. Avec le passage aux Eurocodes et l’évolution de la carte sismique qui a fait passer près d’un tiers du territoire français en zone de sismicité moyenne, le dimensionnement des armatures est devenu plus complexe. Les bureaux d ‘études doivent prendre en compte des paramètres plus nombreux, certains très précis, concernant le non-effritement du béton, l’exposition de l’ouvrage, le type de bâtiment, sa hauteur, etc. ».

Le décorticage des plans de structure : une étape essentielle

Si cette évolution permet une meilleure prise en compte des risques, elle conduit également à une multiplication des types d’armatures et à des prescriptions parfois irréalisables. Pourtant, comme le rappelle Jean Ditrichstein dans son ouvrage (lire Pour en savoir plus p. 30), « Il est bien compréhensible que l’aspect "calcul" constitue la préoccupation dominante. Cependant l’armature n’est pas seulement une section à calculer et une forme à dessiner. C’est aussi un produit à fabriquer et à poser dans un coffrage ».
Pour obtenir une armature conforme et aisément réalisable, un travail de décorticage est assuré en interne par les fabricants d’armatures. Il consiste à analyser les plans de coffrage et de ferraillage fournis par le BET structure pour les transformer en ordres de production, en ayant décomposé les armatures en autant de constituants à assembler.
Cette étape est essentielle : les plans de structure laissent parfois apparaître des impossibilités géométriques, liées, par exemple, à une densité d’acier incompatible avec la mise en place des cadres transversaux ou avec les règles d’enrobage. C’est le cas quand trois barres de 20 mm de diamètre sont prévues dans un encombrement inférieur à 65 mm. En effet, l’encombrement réel d’une barre de 20 mm est proche de 22 ou 24 mm. Dans d’autres cas, il est demandé une précision de 1/10 mm que les outils de production ne garantissent pas.
Le décorticage rationalise également la fabrication. Ainsi, lorsque les aciers de répartition sont prévus avec une distribution dite « en accordéon », l’entreprise pourra proposer une répartition plus homogène. De même dans le cas d’une demande de crosse avec des rayons de cintrage différents à chaque extrémité : une solution avec un seul cintrage, plus facile à effectuer, sera proposée. En atelier, la préparation d’une barre avec des crosses de différents cintrages est deux fois plus longue. Au lieu de plier les deux extrémités de la barre dans la même séquence de fabrication, il faut changer le diamètre de la machine plieuse et réaliser l’opération en deux temps. Dans tous les cas, les modifications apportées aux armatures devront être obligatoirement validées par le BET.
Enfin, la fabrication des armatures passe par une phase de préparation au cours de laquelle les aciers sont coupés à longueur, façonnés par pliage ou cintrage sur des cadreuses ou des cintreuses. Les éléments sont ensuite assemblés sur une table de montage pour réaliser les cages d’armatures spécifiques de poutres, poteaux, voiles, fondations, etc. L’assemblage s’effectue le plus souvent en atelier, où les conditions sont optimales pour améliorer la qualité et les rendements de production. Le soudage des aciers vise à ce que l’armature puisse supporter plusieurs manipulations, il n’a pas de fonction mécanique comme dans le treillis soudé.
Lorsque l’assemblage est réalisé sur chantier, dans le cas notamment de grands radiers, les aciers sont ligaturés avec du fil de fer. C’est également avec des ligatures, des cales et des écarteurs que les cages d’armatures sont maintenues en place dans les coffrages pour assurer le respect de l’enrobage avant le coulage du béton.

N°347

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