La mise en charge de tout élément de structure induit des contraintes aussi bien en compression qu’en traction. La stabilité des constructions exige que ces contraintes ne dépassent jamais la capacité des matériaux. Diverses techniques ont été mises au point pour surmonter cette difficulté.
Une première technique est celle dubéton armé où des barres en acier sont placées dans le coffrage avant bétonnage. Elles adhèrent au béton et forment avec celui-ci un matériau composite. Puisque le béton n'a pas de résistance à la traction, les barres d’armature fournissent cette résistance essentielle pour le transfert de charges. Les barres sont passives; elles ne sont sollicitées que lors de la mise en charge de la structure. Seul, le béton n'offre pas la flexibilité requise. C'est pourquoi des barres de renforcement - une armature - sont souvent incorporées dans le béton pour limiter l'étendue des fissures. Toutefois, cette armature ne procure qu'un renforcement passif, c'est à dire, qu'elle ne transfert aucune charge ni n'apporte de résistance supplémentaire avant que le béton ne se fissure.
Le béton précontraint
La seconde technique est celle du béton précontraint. Comme dans le béton armé, de l’acier est associé au béton, mais, dans ce cas-ci, il est tendu avant la mise en charge de la structure. La précontrainte est donc une technique qui consiste à créer des efforts internes favorables. Ceux-ci sont conçus pour réduire les effets de la faiblesse du béton en traction. La conception des éléments précontraints en béton armé inclus souvent l’utilisation de barre en acier passive en parallèle à la précontrainte. La précontrainte est le plus souvent réalisée à l’aide de câbles tendus enrobés de béton. L'acier n’est pas nécessairement en contact direct avec le béton.
Deux types de béton précontraint se distinguent selon le moment ou l’acier est mis en tension. La mise en tension des câbles peut intervenir avant le bétonnage de l’élément; pré-tension, ou après bétonnage; post–tension.
Précontrainte par pré-tension
Cette méthode consiste à la mise en place de «câbles» ou torons en acier qui sont tendus entre deux bancs de précontrainte qui servent d’ancrage. Par définition, un toron souvent définit par un câble composé de 7 fils individuels en acier : 6 fils enroulés en hélice à un pas long autour d’un fil central. Chaque toron est ancré et tensionné individuellement par un type d’ancrage monotoron à clavette jusqu’au démoulage. Il traverse un coffrage où du béton est coulé en place en contact avec ceux-ci. Suite à la cure du béton ainsi que l’atteinte d’une résistance minimale en compression, les torons sont coupés à chaque extrémité entre le coffrage et le banc. À ce moment, les aciers transfèrent une partie de leur tension sous forme de compression au béton : la compression du béton équilibre la tension au niveau de torons. L’effort de tension se transfère alors par adhérence au béton durci. Une certaine déflection voulue de pré-tension au niveau de l’élément sous tension est souvent observable après le transfert. Les éléments sont ensuite décoffrés et stockés prêts à être transportés. La pré-tension est mise en œuvre dans des ateliers spécialisés équipés de bancs de mise en tension. Cette technique est utilisée en préfabrication et permet la production de poutres, poteaux, dalles précontraintes…
Précontrainte par post-tension
La post-tension est une opération réalisée en chantier qui consiste à mettre des torons en tension après le coulage du béton une fois que celui-ci a atteint une résistance minimale en compression. Le béton frais est coulé en place dans un coffrage incluant de l’armature où des gaines et des ancrages spécialement conçus sont laissées en attente dans le béton. Une fois que l’élément est en place ou que le coffrage a été retiré, les torons peuvent être enfilés et mis en tension à l’aide d’un vérin. Après le retrait du vérin, les torons transfèrent une partie de leur tension sous forme de compression au béton : la compression du béton équilibre la tension. Le tracé des gaines n'est pas nécessairement rectiligne ; elles peuvent être courbées de sorte à transférer des efforts dans des zones prédéfinies. Ce système offre donc un renforcement actif. La précontrainte par post-tension place la structure en béton sous compression dans les zones où les charges provoquent des contraintes de traction. Elle applique une contrainte compressive sur les matériaux, ce qui compense les contraintes de traction que le béton pourrait subir sous la mise en charge de l’élément. Une certaine déflection voulue au niveau de l’élément sous tension est alors observable après le transfert. Contrairement à la pré-tension, l’acier de précontrainte est installée et mise en tension en chantier à la position final de l’élément.
La post-tension offre la possibilité de construire les éléments en béton à n’importe quel endroit voulu incluant sa position finale dans la structure. Les contraintes de transport des éléments doivent cependant être prise en compte. La post-tension est donc un système incontournable pour la construction d’ouvrages segmentaires. Cette méthode est généralement utilisée pour les grands ouvrages en génie civil. Lapost-tension est mise en œuvre par l’utilisation de torons ou de barres en acier à haute résistance. On appelle un tendon, l’ensemble du système de post-tension qui comprend le regroupement d’un ou plusieurs torons ou une barre enfilée dans une gaine ancrés aux deux extrémités par des dispositifs d'ancrageset qui est injectée ou non afin de combler le vide restant après la mise en tension.
Une grande variété de système de précontrainte par post-tension est disponible afin de convenir à plusieurs applications. Onpeut caractériser ses tendons selon 3 principales catégories :
Tendon Interne Adhérent
Système composé de plusieurs torons qui sont placé à l’intérieur d’une gaine en plastique ou en métal injectée par un coulis cimentaire et qui est encastrée dans un élément en béton. Après la mise en tension, la gaine est injectée avec un coulis cimentaire qui cure et durci afin de faire adhérer le tendon au béton qui l'entoure. La cure du coulis et sont durcissement permet au tendon de se comporter comme un système intégral sans aucun mouvement relatif entre les torons d’acier et le béton de l’élément. Le coulis fournit une barrière physique à l’eau et aux contaminants tout en fournissant un environnement alcalin qui protège l’acier de précontrainte contre la corrosion. Ce type de système de post-tension est souvent employée pour les ouvrages d'art et pour les poutres fortement sollicitées des immeubles. Les systèmes de tendon plat avec gaine ovale peuvent également constituer un excellent choix pour des dalles de faible épaisseur.
Tendon Interne Non Adhérent
Système confiné dans un élément en béton dont l'acier de précontrainte n'adhère pas au béton qui l'entoure, sauf aux ancrages. Le système consiste typiquement à un toron unique qui est recouvert avec un inhibiteur de corrosion comme de la graisse ou de la cire et qui est protégé par une gaine en plastique extrudé. Ce type est employé pour les dalles structurales d'immeubles ou de parcs de stationnement et les dalles sur sol. De plus en plus, il s'intègre dans les projets d’ouvrage d’art en infrastructure.
Tendon Externe Non Adhérent
Système qui est installé à l’extérieure de l’élément structural à l’exception des ancrages ainsi qu’au point de déviation. Les tendons sont généralement installés dans des gaines lisses qui peuvent être injectées avec un coulis cimentaire ou de la cire liquide. Les tendons externes permettent un mouvement relatif entre les tendons et l’élément structural à lequel ils sont fixés et c’est pourquoi ils sont considérés en pratique comme Non Adhérent. Ils sont typiquement utilisés pour l’érection de voussoirs préfabriqués et les haubans de pont. Ce type de précontrainte par post-tension permet l'accès pour la maintenance et le remplacement des torons, et représente ainsi la meilleure solution pour l'amélioration et la réhabilitationd'ouvrages d'art.
Avantages de la précontrainte par post-tension
Plus de flexibilité à la conception : longueur et portée libre des éléments
Permettre uneconstructionplus rapide par l’utilisation de segments préfabriqués
Réduction des coûts des matériaux de construction par l’optimisation des dimensions des éléments de l’ouvrage
Possibilité d'accroître la charge de l’élément structural ultérieurement
Possibilité de contrôler quand et à quel endroit la force est appliquée sur l’ouvrage
Durabilité : contrôle et minimise la fissuration du béton
Réduction des coûts d'entretien sur la durée de vie de l’ouvrage
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