La force invisible du génie civil: le béton précontraint

Découvrez le monde fascinant du béton précontraint, un matériau de construction composite essentiel dans la réalisation de divers ouvrages. Comprendre son utilisation, ses avantages mais aussi ses inconvénients, permet de mieux comprendre ses différences avec le béton armé. Vous comprendrez les concepts de précontrainte, de pré et post tension, ainsi que l'importance de l'ancrage dans ce processus. 

C'est quoi le béton précontraint ?

Le béton précontraint peut être défini comme une sorte de béton armé amélioré, ou plutôt adapté à des contraintes particulières que la structure devra supporter une fois en service. Pour y parvenir, une compression axiale lui est appliquée afin d’annuler, ou de limiter, les contraintes de traction qu’elle va devoir supporter. 

Le terme « précontraint » trouve donc son origine dans cette « pré-tension » réalisée au travers de câbles en acier mis en tension avant coulage du béton, ou après coulage (« post-tension ») lorsque le béton a durci.    

Comment fait-on le béton précontraint ?

La mise en œuvre de la précontrainte

Pour précontraindre le béton, il faut utiliser des éléments en acier, qui vont être tendus pour réaliser la précontrainte du béton. Il peut s’agir : 

• De fils en acier, 

• De brins (2 ou 3 fils en acier enroulés ensemble), 

• De tendons (un groupe de brins enroulés ensemble), 

• De câbles (un groupe de câbles en acier), 

• De barres (diamètre beaucoup plus grand que celui d’un fil). 

Ces éléments en acier vont être tendus, soit par pré-tension, soit par post-tension, avec pour but de lutter contre les mouvements naturels du béton, que sont le fluage, le retrait et les déformations instantanées. Pourquoi ? Parce que ces mouvements entraînent une réduction de l’allongement des câbles en acier, et donc de la précontrainte, allant parfois jusqu’à l’annuler. 

Pour y faire face, l’inventeur de la méthode, Eugène Freyssinet, a très rapidement pris en compte ces limites que la matière même du béton impose. C’est pourquoi, pour réaliser un béton précontraint de qualité, il faut utiliser un béton proposant une résistance élevée, mais aussi tendre les câbles à des valeurs supérieures à ce qui est normalement nécessaire. 

De la sorte, du durcissement du béton jusqu’à la charge d’exploitation à supporter par le matériau, les mouvements de ce dernier ne vont pas engendrer une défaillance de la précontrainte. 

Le rôle de l'ancrage dans la précontrainte

L’ancrage correspond au scellement du bout des armatures. Il est absolument indispensable à chaque fois qu’il y a recours à la post-tension. A l’inverse, dans le cadre de la pré-tension, les ancrages sont uniquement nécessaires si l’adhérence entre l’acier et le béton est insuffisante ou si la résistance du béton n’atteint pas les valeurs attendues. 

Les ancrages permettent de transmettre l’effort des aciers tendus au béton. Ils peuvent être : 

• Annulaires, 

• Tubulaires, 

• Sous forme de colliers ou de boulons de serrage.

Toutefois, le béton doit aussi être en mesure de supporter les ancrages et les contraintes inhérentes à la mise sous pression des câbles en acier. Pour ce faire, il est généralement renforcé par un frettage accompagné d’une augmentation de la section. 

La post-tension : une méthode de précontrainte

Cette technique consiste à mettre en tension les câbles en acier une fois le béton coulé. Pour la réaliser, il est nécessaire d’inclure de l’armature ou des gaines dans le coffrage. Les torons sont alors enfilés dans ces gaines après coulage et mis en tension à l’aide d’un vérin et grâce aux ancrages. 

Une fois le vérin retiré, les torons sous tension transfèrent une partie de l’énergie emmagasinée sous la forme d’une force de compression. Celle-ci va équilibrer la charge que doit supporter le béton dans le cadre de la structure à laquelle il appartient. 

C’est pour cette raison que les câbles en acier ne sont pas toujours positionnés de manière rectiligne dans le béton. Ainsi, la précontrainte peut être : 

• Centrée, 

• Excentrée, 

• Parabolique. 

Le choix du positionnement des câbles dépend donc directement des zones à renforcer, c’est-à-dire celles qui sont soumises à des contraintes de traction. 

La post-tension est généralement utilisée dans la réalisation d’ouvrages segmentaires présents dans les grands chantiers de génie civil. 

Entre béton armé et béton précontraint: quelles différences?

Le béton armé et le béton précontraint sont tous deux renforcés par des pièces en acier qui améliorent sa résistance à la traction et sa ductilité. Par contre, dans le cas du béton armé, ces barres sont passives, tandis que dans le cadre du béton précontraint, les câbles sont actifs. C’est-à-dire que la tension imposée aux torons d’acier fait participer activement ce renfort à la résistance en traction du béton. 

Dès lors, le béton armé et le béton précontraint n’ont pas tout à fait les mêmes usages. Bien que les deux types de béton soient utilisés dans la construction d’ouvrages d’envergures, comme les ponts ou encore les barrages, le béton précontraint prend la place du béton armé dès lors que sa résistance atteint ses limites. 

C’est notamment le cas dans certaines constructions comme les viaducs ou certains bâtiments commerciaux. Sans un renforcement par précontrainte, l’ouvrage s’effondrerait sous la force de traction. 

Voici pourquoi le béton armé se retrouve dans les structures plus petites, comme les semelles des bâtiments, les murs des maisons, certains barrages et certains ponts. Dans ces constructions, l’usage du béton précontraint ne se justifie tout simplement pas.   

Pourquoi utiliser le béton précontraint ? 

Tout simplement parce qu’il permet de contrebalancer la faiblesse du béton armé classique, c’est-à-dire sa faible résistance à la traction. En effet, dans le béton armé, la résistance à la traction n’équivaut qu’entre 8% à 14% à sa résistance à la compression. Dès lors, des fissures peuvent se former dans le béton armé, là où le béton précontraint reste sain. 

La précontrainte a pour fonction d’améliorer la résistance du béton face : 

• À la flexion, 

• Au cisaillement, 

• À la torsion, 

• À la corrosion. 

Le béton précontraint est mieux adapté aux chantiers de grande taille. Toutefois, malgré ses nombreux avantages, il a aussi ses limites. 

Les avantages du béton précontraint

Le béton précontraint est plus flexible que le béton armé et il n’est pas limité dans la longueur de ses éléments. Il rend donc possible la construction de segments préfabriqués, ce qui rend la construction plus rapide. 

De plus, de par sa grande résistance en compression et en traction, la dimension de l’ouvrage peut être optimisée, ce qui limite l’usage des matériaux, et donc le coût total du chantier. 

La précontrainte, au travers de la post-tension, présente aussi l’avantage de pouvoir accroître la charge de l’élément structural après coulage du béton et de façon précise. Comme nous l’avons vu précédemment, le placement des câbles et leur mise en tension permet de renforcer la structure en béton dans des zones précises. 

Parce qu’il rend le béton plus résistant, il limite ses risques de fissuration, rendant l’ouvrage plus durable et moins coûteux en entretien. 

Quels sont inconvénients du béton précontraint?

Il est plus cher que le béton traditionnel, notamment le béton armé. Pourquoi, si moins de matériaux peuvent être utilisés dans la structure ? Parce que des matériaux supplémentaires sont nécessaires, mais aussi des matériels indispensables pour mettre l’acier sous tension. 

Ensuite, le béton précontraint est moins flexible que le béton armé, dans le sens où la complexité de son coffrage rend la réalisation de formes originales quasiment impossible.

Le pire réside sûrement dans sa préparation, puisque la marge d’erreur acceptable dans le cadre du béton précontraint est bien inférieure à celle d’autres matériaux. Une erreur de calcul, ou pire, de sens de mise sous tension des torons, peut vite mener au drame. 

Par conséquent, le béton précontraint ne s’adresse pas à n’importe quel entrepreneur, et son usage est totalement exclu pour les particuliers. 

Les applications du béton précontraint

Utilisation dans les ponts

L’intérêt d’usage du béton précontraint dans la construction de ponts, repose sur la possibilité de construire de longues portées sous la forme de segments préfabriqués. Non seulement ces portées sont plus résistantes que des portées en béton armé, mais en plus elles sont plus rapides à monter sur le chantier. 

Sans le béton précontraint, il n’y aurait pas de pont-tunnel Louis-Hippolyte-La Fontaine à Boucherville. Avec du béton armé, il aurait fallu élever le toit du tunnel d’1 mètre supplémentaire, ce qui ne cadrait pas avec la hauteur maximale imposée par le Port. Autrement dit, l’usage du béton précontraint a permis d’optimiser les dimensions de l’ouvrage.  

Utilisation dans les dalles et planchers

On parle ici de dalles et de planchers particuliers, puisqu’ils sont réalisés sur des bancs de précontrainte de plus de 328 pieds (100 mètres) de longueur. Le but est ici de réaliser des planchers alvéolaires précontraints d’une portée supérieure à 39 pieds (12 mètres), tout en étant capables de supporter des charges de bureau. 

Dans ces structures, le câblage de précontrainte est souvent réalisé dans deux directions orthogonales afin de maximiser la capacité portante des planchers. Il peut également suivre une direction préférentielle avec un renfort d’armatures passives dans la direction perpendiculaire. 

Utilisation dans la construction des poutres

Une poutre en béton précontraint est comme une pile de livres que vous porteriez à l’horizontale. Pour tenir, il faut imposer une force des deux côtés de la pile. C’est la même chose avec les poutres en béton précontraint. 

Leur longueur fait que la force de gravité terrestre crée une contrainte de traction sur la structure de la poutre. Pour que cette dernière ne s’effondre pas sous son propre poids, une importante tension est imposée aux câbles en acier. Ainsi, la compression induite par les tendons en acier équilibre la contrainte en traction, exercée sur la poutre. L’intégrité de la structure est donc maintenue. 

Révolution structurale : l'impact du béton précontraint

Le béton précontraint représente une innovation majeure dans le domaine du génie civil, offrant des solutions robustes et durables pour des structures exigeant résistance et longévité. La précontrainte permet au béton de surmonter ses limites naturelles en compression, en améliorant sa capacité à résister aux tensions de traction. L'utilisation de cette technique se traduit par des structures plus minces, plus légères et capable de couvrir de plus grandes portées sans soutien intermédiaire. De plus, le béton précontraint réduit le risque de fissuration, prolongeant ainsi la durée de vie des ouvrages et minimisant les besoins de maintenance. Intégrer le béton précontraint dans les projets de construction permet de relever des défis architecturaux complexes, tout en assurant sécurité et fiabilité.