Ciment armé

144. Principe*. — La faiblesse des résistances trouvées pour les mortiers et bétons de ciment dans les essais de

' L'état actuel de cette question a été exposé par M, le capitaine Cii. Boitel. dans un intéressant article de 78 pages, publié par la Revue du Génie mili- Utire (1896).

66i) CHAPITRE VIII

Depuis lors, d*autres procédés se sont développés un peu partout et ont reçu des applications importantes, et, tout récemment encore, une nouvelle société s'est fondée en France pour le développement et l'entreprise des constructions en ciment armé ^

145. Principaux sj^stèmes. — Bien qu'on emploie des ossatures métalliques à des travaux de natures les plus diverses, chaque constructeur spécialiste ne se départit généralement guère du système qui lui est propre, dont le principe se retrouve dans les différents types d'ouvrages, avec seulement quelques modifications de détail.

Comme, presque toujours, les constructions dont il s'agit peuvent être décomposées en éléments soumis à des efforts de flexion, c'est surtout dans la constitution des poutres et des dalles de portées plus ou moins étendues qu'on trouve le plus nettement accusés les caractères distinctifs des divers systèmes.

« Ces dalles, écrit le capitaine Boitel, sont composées d'une couche de mortier de ciment d'épaisseur variable, mais toujours assez faible, englobant une ossature métallique placée généralement à leur partie inférieure.

Dans le système Monier, l'ossature se compose [fig. 104) de barreaux de fer rond a, a, distants de O^jOo à 0",10 d'axe

en axe et d'une section variable avec la charge à supporter, au-dessus desquels sont placés d'autres barreaux A de 3 à 6 mi 11 imètresde diam'ître et à la môme distance les uns Fig. 104. des autres. Les deux sys-

tèmes de barreaux sont reliés en un certain nombre de leurs points de croisement par des attaches de treillageur en fil de fer de 1 millimètre environ de diamètre.

1 Voir la collection du journal Le Ciment ^ organe officiel de la Chambre syndicale des Fabricants de Ciment portland de France.

Les barreaux inférieurs û, qui ont à supporter l'effort exercé sur la dalle, reçoivent le nom de tiges de résistance,

résistance voulue, on est amené à employer un treillis trop serré pour laisser passage au mortier, on le remplace par un treillis plus large en incorporant de distance en distance dans le tissage des barreaux de plus grande section. On peut aussi augmenter la résistance des dalles en les munissant de nervures, dites épines-contreforts

Dans le système Bordenave, on trouve encore, comme dans le système Monier, deux séries de barreaux perpendiculaires les uns aux autres et reliés par des attaches, mais la section de ces barreaux, au lieu d'ôtre circulaire ou carrée, est en forme de L, de U et surtout de I [fig. 108). Leur épaisseur n'est que de 0"",9 à 1"",4: le laminage de

Fio. 108.

barres aussi minces présentant d'assez sérieuses difficultés, M. Bordenave a remplacé le fer par Tacier, dont la résistance est plus grande. »

M. Matrai noie dans le mortier ou dans toute autre matière formant empâtement, des séries croisées de fils métalliques plus ou moins gros suspendus en forme de chaînettes.

Les voiltcs d'après le système Melan sont basées sur l'emploi de poutrelles en I disposées parallèlement à des distances convenables, cintrées suivant la forme de la voûte, noyées dans le béton et s'arc-boulant contre les solives du plancher.

Dans divers cas, on s'est encore servi d'armatures en tôle ondulée ou en toiles métalliques à mailles plus ou moins larges.

M. Hennebique forme des poutrelles en simple T à très large bourrelet {fig, 109) présentant, à leur partie inférieure, une ou plusieurs barres rondes en acier noyées dans le mortier et reliées au réseau de la dalle proprement dite par

des voûtelettes, soit entre le plafond et le plancher, différentes matières légères destinées à diminuer la sonorité ; enfin, le plancher est généralement recouvert d'un enduit, d'un parquet, etc.

L'emploi du ciment armé en architecture ne se borne pas aux planchers ; on l'applique également à l'exécution de cloisons, de murs, de combles, de coupoles, de flèches, etc., et il existe des édifices construits à peu près complètement d'après ce principe (Lycée Victor-Hugo à Paris, nouveau casino de Biarritz, etc.).

Dans les fondations sur terrains mouvants, il est avantageux de noyer dans le béton des fers profilés de fort calibre, qui donnent de la rigidité à sa masse et permettent d'en réduire le volume, ce qui diminue en môme temps l'importance des terrassements. C'est ainsi notamment que sont fondées les maisons géantes de Chicago.

Les ossatures métalliques permettent de réduire considérablement l'épaisseur des parois des réservoirs et des tuyaux de tous diamètres. On en a fait de nombreuses applications pour l'établissement de canalisations d'eaux ou d'égouts, dont quelques-unes très importantes, comme, par exemple, le réseau de distribution des eaux de la plaine d'Achères, exécuté tout récemment pour la Ville de Paris (système Bonna).

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On construit d'après les mômes principes des passerelles et des ponts soit pour routes, soit même pour chemins de fer, avec une flèche faible et une épaisseur extrêmement réduite

i L'épaisseur du béton à la clef, difficile à lire sur la figure, est de 0-,35, et celle du bailastage ajouté par dessus est de 0-,20.

qui leur donne un aspect de grande légèreté ; la plus grande partie de la masse du béton se trouve reportée dans les culées, qui ont alors à résister à des poussées considérables. En pareil cas, en effet, les fers parallèles àTintradosne doivent plus être soumis à des efforts de traction, mais subissent plutôt des compressions longitudinales, et le mortier qui les enveloppe sert surtout à les empêcher de se gondoler, en s'opposant an/lambemefit. La figure HO représente un pont pour route construit d'après le système Monier.

Enfin, les ossatures sont encore employées avantageusement pour l'établissement de conduits souterrains tels que voûtes et poternes, dont elles permettent de réduire la hauteur par l'emploi de formes surbaissées. A ce point de vue, elles doivent être d'un puissant secours dans le^ ouvrages de fortification, en même temps qu'elles communiquent aux massifs un important surcroît de résistance et de solidarité.

147. Essais. — D'assez nombreux essais ont été faits soit sur des ouvrages réels en ciment armé (ponts, voûtes, planchers, etc.), pour éprouver leur résistance ou leur élasticité, soit sur des pièces d'essai, le plus souvent en forme d'arches, de poutres ou de dalles, construites spécialement en vue des expériences.

Dans le premier cas, on s'est généralement contenté de mesurer les flèches élastiques ou permanentes prises sous des charges données fixes ou mobiles ; dans le second, on a fait croître la charge progressivement jusqu'à la rupture, avec ou sans temps d'arrêt ou déchargements intermédiaires, en observant l'apparition des premières fissures ainsi que, dans plusieurs cas, les flèches au centre ou même en divers points de la portée. Parfois on a procédé parallèlement à des expériences directes d'élasticité, de déformation ou de rupture sur les éléments séparés du ciment armé.

Tantôt la charge a été uniformément répartie; tantôt elle a été concentrée sur une portion plus ou moins réduite de la portée, symétriquement par rapport au milieu de cette dernière ; tantôt enfin, principalement dans le cas d'arcs et de voûtes, on a chargé seulement une des deux moitiés de

la pièce essayée, de manière à produire des efforts dyssymétriques.

Malheureusement, toutes ces expériences ont été généralement faites sur des assemblages trop complexes pour qu'on ait pu en déduire d'une manière bien certaine Tinlluence de chacune des dispositions adoptées pour ces constructions. La plupart des renseignements obtenus s'appliquent à des ouvrages isolés, sans qu'on soit en mesure d'en tirer d'indications sur la manière dont se seraient comportés d'autres ouvrages établis d'après des données un peu différentes, et, si quelques séries d'essais comparatifs ont bien été tentées, il ne paraît en être ressorti jusqu'à présent aucune loi bien nette.

On peut néanmoins en tirer les deux conclusions générales suivantes :

l** L'introduction judicieuse du fer ou de l'acier augmente considérablement la résistance et l'élasticité du mortier ;

2° La rupture, au lieu d'arriver brusquement, comme dans les ouvrages en mortier ou béton non armé, se produit progressivement après une déformation lentement croissante, souvent môme pour une charge notablement supérieure à celle qui correspond aux premières fissures, et sans que la formation de ces dernières se traduise par une augmentation brusque de la flèche.

Il est inutile d'insister sur l'importance qu'ont ces observations au point de vue do la sécurité des travaux.

Parmi les expériences comparatives auxquelles ont été soumis des ouvrages en ciment armé, une série mérite une mention particulière, tant par le nombre et la portée des pièces essayées que par le soin apporté à leur construction, à l'observation des déformations et à l'interprétation des résultats. Entreprises sous les auspices de V Association des Ingénieurs et Architectes autrichiens^ ces expériences, qui n'ont pas coûté moins de 84.000 francs, ont porté sur des voûtes de dimensions variées formées de divers matériaux. Les plus importantes ont été exécutées à Purkersdorf sur quatre voûtes de 23 mètres de portée construites re&pecti-

574 CHAPITRE YIII

vement ea maçoimerie de moellons, en maçonnerie de briques, en béton et en ciment armé (système Monier)» el sur un arc métallique avec articulations aux naissances, ayant aussi 23 mètres d'ouverture, en fer fondu Martin (doux). L'épreuve a été faite en chargeant jusqu'à rupture ces voûtes et cet arc d'un seul côté, entre une des culées et la clef.

Le tableau ci-contre indique les données essentielles et les principaux résultats obtenus.

Une des conclusions les plus intéressantes déduites des nombreux calculs auxquels les chiffres trouvés ont donné lieu, est que les voûtes essayées, et en particulier celle en ciment armé, se sont généralement comportées comme des arcs élastiques homogènes, de sorte qu'il conviendrait d'appliquer aux voûtes de même forme et de même construction les calculs des arcs métalliques sans articulation ^

14S. Théories et calculs. — Bien des techniciens ont déjà cherché à mettre en évidence la loi suivant laquelle les efforts se répartissent dans les ensembles hétérogènes formés par la réunion du mortier et du métal, de manière à pouvoir déterminer par le calcul les éléments d'une construction en fonction des charges qu'elle est appelée à supporter.

Nous nous bornerons à citer les noms de MM. Kœnen, Cottancin, Neumann, E. Coignet, de Tedesco, Planât, Melan, Grut, vonThullie, Mandl, et cette liste est certainement fort incomplète.

Aucun n'est encore arrivé à établir une théorie qui concorde exactement avec les résultats des expériences, et on a dû toujours se contenter d'hypothèses plus ou moins approchées.

Dans un travail très étudié *, M. Planât a passé en revue les principales hypothèses qu'on peut admettre, savoir :

1 Ces expériences ont été décrites dans : Wochenschrifl des *rsterreichi~ schen Inr/enieur-und Architekten Vereins (Vienne, 1895) et résumées en français dans le Génie civil (180j-18îlt>), ainsi que dans une série d'articles de la Revue Technique MSO.'i-lSOO;, quiont été réunis ensuite en un volume séparé : Essais comparalifs de voûtes en matériaux divers ; ans qh, éditeur. Paris, 1896.

' Recherches sur la théorie des ciments armés; Paris, 1894.

V Solidarité complète du fer et du ciment, les deux matières s'allongeant également dans le voisinage de leur surface de contact ;

2'* Expansion du ciment pendant la prise, produisant, avant l'action d'aucun efiFort extérieur sur la pièce armée, une traction du fer et une compression des parties du mortier avoisinantes ;

3" Résistance du mortier à la traction considérée comme négligeable et fer se comportant comme un tirant encastré à ses deux bouts ;

4° Fer considéré, en raison de la courbure qu'il prend par suite de la flexion dé la dalle, comme soutenant la masse supérieure de mortier à la manière d'un câble tendu.

En comparant les conclusions mathématiques de ces diverses hypothèses à des résultats expérimentaux connus, il a constaté qu'aucune n'était complètement justifiée et conclu que, dans le courant d'un môme essai, les conditions de travail du fer et du mortier doivent varier à mesure qu'on fait croître la charge fléchissante, en sorte qu'on doit se trouver successivement dans le cas de la première, de la troisième, puis de la quatrième hypothèse.

Néanmoins, M. Planât semble avoir une certaine préférence pour la troisième.

11 est probable qu'en réalité, alors même qu'on connaîtrait exactement, à chaque instant d'un essai, la nature des actions réciproques des deux matériaux en présence, les grandeurs de ces actions échapperaient à toute évaluation rigoureuse, par suite de l'incertitude des formules de la Résistance des matériaux dès que les limites d'élasticité sont dépassées, comme c'est le cas dans la grande majorité des expériences. Par contre, si Ton veut se borner au calcul des ouvrages do la pratique, qui doivent être établis de manière à toujours rester en-dessous de ces limites pour les plus fortes charges prévues, la difficulté de trouver la formule exacte de leur travail doit être bien moindre.

En Tabsence de toute théorie solidement assise, les difl'érents constructeurs spécialistes ont adopté des formules mithéoriques, mi-empiriques, pour le calcul pratique des élé-

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ments de leurs travaux. Comme, en général, ils admettent des coefficients de sécurité assez élevés, il est extrêmement rare qu'on constate à l'emploi qu'un ouvrage ait des dimensions insuffisantes.

Néanmoins, tant que les ingénieurs ne pourront pas justifier ou vérifier les projets par des formules établies de manière à inspirer une entière confiance, le ciment armé aura de la peine à se substituer complètement, malgré ses avantages réels, aux anciens modes de construction consacrés par des siècles de pratique.

I4f>. Avaiilages et inconvénients du ciment armé. — L'une des causes essentielles de la résistance et de la durée des constructions en ciment armé est la forte adhérence du ciment contre le fer (v. art. 54). Aussi importe-l-il d'employer toujours, au moins dans le voisinage des armatures, des mortiers suffisamment riches pour que celles-ci se trouvent complètement entourées de ciment, et en particulier, d'éviter la présence, dans cette région, de bétons maigres qui n'auraient avec le fer que relativement peu de points de contact.

De môme, l'égalité des dilatations thermiques du fer et du mortier, constatée notamment par M. Durand-Claye, assure une adhérence constante entre ces deux éléments, en dépit des variations de température.

Une autre cause d'augmentation de résistance et de sécurité est la solidarité que la présence du fer assure à toute la masse d'un môme ouvrage. On peut môme, principalement avec le système Gottancin, relier entre elles par un treillis continu les différentes parties d'une construction en ciment armé, murs, cloisons, planchers, couverture, de telle sorte que chacune supporte sa part des efforts appliqués directement à Tune d'elles. \ji\ pareil entretoisement permet, dans certains cas, d'économiser sur les fondations, assure les toitures contre l'action des vents violents et obvie, dans une certaine mesure, aux dislocations pouvant provenir d'affaissements du sol ou de tremblements de terre. Mais il a aussi sa contre-partie dans la difficulté qu'on éprouve

à modifier après coup la disposition de la construction.

L'augmentation importante de résistance due à ces diverses causes, grâce à laquelle le ciment armé peut supporter des efforts de traction bien supérieurs à ceux qui rompraient les mortiers ordinaires ou les pierres, tout en présentant une plus grande rigidité que des pièces équivalentes exclusivement métalliques, permet, dans tous les cas usuels où une résistance considérable n'est pas nécessaire, de réduire notablement les dimensions des différentes parties d'une construction. 11 en résulte un gain d'espace utile, une diminution du cube des terrassements à faire et des matériaux à approvisionner, une plus grande légèreté des constructions, avantages qui entraînent presque toujours eux-mêmes une diminution de la dépense, tant pour l'acquisition des matériaux que pour leur mise en œuvre.

Toutefois, la réduction des épaisseurs et la présence du fer donnent aux dalles armées une certaine élasticité qui, peut-être, pourrait à la longue devenir une cause de désagrégation sous l'effet de vibrations multipliées.

En outre, on a vu dans larticle précédent qu'aucune règle rigoureuse n'indiquait, dans chaque cas particulier, des dimensions et des dosages qu'on pût adopter en toute sécurité et sans dépenses superflues.

La facilité avec laquelle l'armature métallique se prête à toutes les formes permet d'obtenir des surfaces souvent assez compliquées sans empâtements exagérés. En particulier, dans les salles d'opérations, chambres d'hôpitaux, magasins à denrées, etc., il est facile d'arrondir tous les angles par des parties cylindriques lisses à grand rayon, ce qui simplifie le nettoyage et évite l'accumulation des poussières et des germes nuisibles.

Le réseau métallique n'augmente pas par lui-même l'imperméabilité dos mortiers. Toutefois, noyé dans les enduits appliqués sur la face la plus accessible des murs, qui en général est opposée h celle contre laquelle l'eau exerce directement sa pression, il donne le moyen d'ancrer solidement ces enduits au reste de la maçonnerie et assure par là leur adhérence.

Le ciment étant un des matériaux qui résistent le mieux au feu et étant en même temps, mauvais conducteur de la chaleur, Tarmature métallique qu'il enveloppe n'atteint pas, dans les incendies, des températures trop élevées ni des dilatations exagérées; diverses expériences ont d'ailleurs montré que, soumises à des feux violents, des dalles de ciment armé ne subissent que des altérations insignifiantes. Au contraire, les solives en fer ou en acier sans enduit s'échauffent rapidement en se dilatant et poussant au vide les murailles contre lesquelles elles portent, puis perdent bientôt toute résistance et entraînent les planchers dans leur chute. Aussi tend-on de plus en plus à substituer le ciment armé au fer, notamment dans les maisons géantes des États- Unis, et construit-on, d'après le même système, des coffresforts à l'épreuve du feu.

Enfin, le ciment armé paraît mieux résister aux intempéries que la plupart des autres matériaux tels que le fer, qui* est sujet à la rouille, et le bois, qui est inflammable, putrescible et attaquable par les animaux rongeurs. Du reste, on préserve souvent maintenant ces substances par des enduits de mortier qui, au contraire, vont en durcissant continuellement avec le temps.

Comme on le voit, la méthode qui consiste à renforcer les mortiers par des armatures métalliques noyées dans leur épaisseur ne présente, à côté d'avantages variés, que des inconvénients assez légers, dont le principal est l'absence actuelle de formules rigoureuses. Il convient toutefois d'ajouter qu'elle est souvent d'une application assez délicate et exige, pour que les ouvrages offrent toutes les garanties de qualité qu'on est en droit d'en attendre, le concours d'ouvriers spéciaux et exercés. La préparation de l'ossature, sa mise en place et son arrimage aux pièces destinées à la supporter, de même que le bourrage convenable du mortier à travers le réseau de fer contre lequel il doit êire exactement appliqué sans le déformer, demandent en effet des soins particuliers qu'on ne peut attendre de serruriers ou de maçons ordinaires. De même, les réparations devront être difficiles.

Enfin, il est évident que le mortier ou le béton doit être dosé judicieusement suivant la nature du travail et la qualité des matériaux dont on dispose.

Ces réserves faites, nous croyons que le ciment armé est appelé à un grand avenir et que la multiplication de ses emplois ne pourra que donner un nouvel essor à l'industrie des liants hydrauliques, tout en augmentant encore Tintérôt qui s'attache à Tétude de ces produits.