Les structures en béton
Le béton est un mélange de ciment, de sable, de petits cailloux (les granulats) et d'eau. Il commence comme une pâte épaisse, puis durcit comme de la pierre.
Deux types d'effort comptent. La compression écrase. La traction étire. Le béton supporte très bien la compression. Il supporte mal la traction : il résiste environ dix fois moins à l'étirement qu'à l'écrasement.
Le béton non armé (sans acier) sert donc quand la charge écrase surtout : fondations, murs épais, barrages-poids, revêtements de canaux, dalles de chemins agricoles sur sol ferme et petits barrages de retenue.
Le béton non armé se fissure s'il plie. On le garde donc épais et court, jamais en longue poutre fine.
Les structures en béton armé
Quand une poutre plie, sa face du dessous s'étire et sa face du dessus est écrasée. On place des barres d'acier (armatures) près de la face étirée. L'acier résiste bien à la traction. Le béton garde les barres en place, partage l'écrasement et protège l'acier de la rouille.
Pourquoi ça marche ? Le béton accroche la barre, et les deux se dilatent et se contractent presque autant quand il fait chaud ou froid. Ils agissent donc comme un seul corps.
Les barres ont besoin d'une couche de béton autour d'elles, appelée enrobage. L'enrobage empêche l'eau et l'air d'arriver aux barres, qui ne rouillent pas. Un enrobage courant est d'environ 2 à 5 cm, plus épais pour les réservoirs d'eau.
À la ferme, le béton armé sert pour les réservoirs d'eau, les silos, les ponts, les buses, les vannes de canaux, les chutes d'eau, les sols d'étables et les bâtiments à poutres et dalles.
Les structures en acier
Une structure en acier est faite de pièces d'acier laminé, comme les cornières, les profilés en U et les poutrelles en I, assemblées par boulons, rivets ou soudures. L'acier résiste bien à l'écrasement comme à l'étirement.
Points forts : il est solide pour son poids, se monte vite, franchit de longues portées, et les vieilles pièces peuvent être réutilisées. Points faibles : il rouille s'il n'est pas peint ou galvanisé, il perd sa résistance dans un incendie violent, et les pièces longues et fines peuvent flamber (plier sur le côté) quand on les écrase.
Une ferme triangulée (ou treillis) relie des barres en triangles. Un triangle ne peut pas changer de forme, donc la charpente reste rigide. Usages agricoles : charpentes de serres et d'étables, silos à grains, châteaux d'eau, supports de tuyaux d'arrosage et portails.
Choisir entre les trois
- Surtout de l'écrasement, ouvrage lourd, longue durée de vie : béton non armé.
- Flexion, pression de l'eau, solide et durable, qu'on ne déplacera pas : béton armé.
- Grande portée, faible poids, travail rapide, ouvrage à déplacer ou à agrandir : acier.
Pense aussi au coût, aux matériaux disponibles sur place, au sol en dessous et à la durée de vie voulue.
Essaie : le test du biscuit
Prends un biscuit sec. Appuie dessus à plat entre tes paumes : il est difficile à écraser. Maintenant tiens-le par les deux bouts et plie-le : il casse dès qu'on le plie un peu. Un biscuit ressemble au béton : solide quand on l'écrase, faible quand on le plie. Maintenant fais sécher une plaque d'argile avec un bâtonnet fin enfoncé sur sa face du dessous, puis plie-la : elle tient plus longtemps. Le bâtonnet joue le rôle des barres d'acier.
Formules et définitions clés
- Compression = écraser ; Traction = étirer
- Béton non armé : fort en compression, faible en traction
- Béton armé = béton + barres d'acier dans la zone étirée
- Enrobage = couche de béton autour de la barre (protège de la rouille)
- Acier : fort dans les deux cas ; léger pour sa résistance ; rouille et flambe
Exemples résolus
1. Une dalle de chemin agricole repose sur un sol ferme et supporte seulement un véhicule qui appuie vers le bas. Béton non armé ou béton armé ?
Le sol soutient la dalle sur toute sa longueur, donc elle plie à peine. Le béton non armé suffit pour une circulation légère. On peut ajouter un peu de treillis d'acier pour limiter les fissures.
2. Un pont sur un canal est une poutre posée sur deux murs. Quelle face de la poutre s'étire, et où vont les barres ?
Une poutre posée sur deux appuis plie vers le bas. Le dessous s'étire. Les barres principales vont donc près du dessous.
3. Un porte-à-faux (une poutre fixée à un bout et libre à l'autre) porte une charge. Où vont les barres principales ?
Un porte-à-faux plie de sorte que le dessus s'étire. Les barres principales vont donc près du dessus, près de l'extrémité fixe.
4. Un agriculteur veut un hangar de 12 m de large, sans piliers à l'intérieur, construit vite. Quelle structure ?
Une charpente en acier à fermes triangulées. Elle est légère, franchit une grande portée et se monte vite.
5. Une poutre fait 300 mm de large et il faut 40 mm d'enrobage de chaque côté. Quelle est la largeur de l'espace entre les enrobages ?
300 - 40 - 40 = 220 mm.
6. Le béton non armé supporte 3 N par mm2 d'étirement avant de se fissurer. Le dessous d'une poutre est étiré de 5 N par mm2. Va-t-il se fissurer ? Comment le corriger ?
5 est plus grand que 3, donc il va se fissurer. Les barres d'acier prennent l'étirement, et le béton n'a plus à le faire.
Erreurs fréquentes
- Croire que le béton est fort en tout. Il n'est fort que pour l'écrasement.
- Mettre les barres au milieu ou en haut d'une poutre simplement appuyée. Elles vont près du dessous, qui s'étire.
- Prévoir trop peu d'enrobage : l'acier rouille et le béton éclate.
- Croire que l'acier ne casse jamais. L'acier fin flambe, rouille et perd sa résistance au feu.