Les fondations sont l’assise d’une construction, garantes de sa stabilité et de sa longévité. Une base mal conçue peut entraîner des désordres structurels majeurs, compromettant la sécurité des occupants et la pérennité du bâtiment. Le béton armé, combinant la résistance à la compression du béton et la résistance à la traction de l’acier, est une solution incontournable pour assurer la solidité et la durabilité des bases. Comprendre les principes de calcul et les étapes de mise en œuvre du béton armé en fondation est essentiel pour tout acteur du secteur de la construction, du particulier averti à l’ingénieur structure.
Nous examinerons les types de fondations, les étapes de calcul, les techniques de mise en œuvre, ainsi que les solutions innovantes pour des cas particuliers. Notre objectif est de vous fournir les connaissances nécessaires pour comprendre les enjeux et les bonnes pratiques en matière de bases en béton armé.
Introduction aux fondations en béton armé
Comprendre l’importance des fondations et le rôle du béton armé est primordial. Cette section introductive pose les bases nécessaires, en définissant ce qu’est une fondation, en présentant les différents types existants et en expliquant pourquoi le béton armé est si souvent privilégié dans le domaine de la construction.
Contexte et importance des fondations
La fondation est l’élément de la structure qui assure la transmission des charges de la construction au sol. Une base adéquate est primordiale pour assurer la stabilité et la durabilité de l’ouvrage. Une fondation mal conçue ou mal réalisée peut entraîner des fissures dans les murs, des tassements différentiels qui déforment la structure, voire, dans les cas les plus graves, un effondrement partiel ou total du bâtiment. Le choix du type de fondation et son dimensionnement dépendent étroitement de la nature du sol, des charges appliquées et des contraintes environnementales.
Pour illustrer l’importance d’une fondation bien conçue, on peut citer l’exemple (fictif) d’une maison construite sur un sol argileux sans étude de sol préalable. Après quelques années, des fissures importantes sont apparues sur les murs, en raison des variations de volume de l’argile liées aux variations d’humidité. Des travaux de confortation des fondations ont dû être entrepris, entraînant des coûts importants et des désagréments pour les propriétaires.
Types de fondations
Il existe deux grandes catégories de fondations : les fondations superficielles et les fondations profondes. Les fondations superficielles, qui transmettent les charges à une faible profondeur, comprennent les semelles filantes (pour les murs porteurs), les semelles isolées (pour les poteaux), et les radiers (pour les constructions sur sols peu porteurs). Les fondations profondes, qui reportent les charges sur des couches de sol plus résistantes situées en profondeur, incluent les pieux, les micropieux et les barrettes. Cet article se concentrera sur l’utilisation du béton armé dans les fondations superficielles, particulièrement courantes pour les constructions résidentielles et les bâtiments de faible hauteur.
Pourquoi le béton armé ? (bénéfices et limites)
Le béton armé est un matériau composite constitué de béton et d’armatures en acier. Le béton, résistant à la compression, assure la stabilité de la fondation sous les charges verticales. L’acier, résistant à la traction, renforce le béton et lui permet de résister aux efforts de flexion et de cisaillement. Le béton armé combine donc les atouts des deux matériaux pour créer une fondation solide et durable. Les fondations en maçonnerie, bien que parfois utilisées, n’offrent pas la même résistance à la traction et peuvent être plus sensibles aux mouvements de terrain. L’Eurocode 2 encadre le dimensionnement des structures en béton, garantissant sécurité et durabilité.
- Résistance mécanique élevée, permettant de supporter des charges importantes.
- Durabilité face aux agents atmosphériques et aux agressions chimiques du sol.
- Adaptabilité aux différentes configurations de terrain et aux contraintes architecturales.
- Bonne résistance au feu, assurant la sécurité des occupants en cas d’incendie.
Cependant, le béton armé présente également quelques limites. La corrosion de l’acier est un risque majeur si le béton n’est pas correctement dosé ou mis en œuvre. Le poids élevé du béton armé peut également nécessiter des moyens de manutention importants. Malgré ces inconvénients, le béton armé reste le matériau de choix pour la plupart des fondations, grâce à ses performances et à sa fiabilité.
| Avantages du Béton Armé | Inconvénients du Béton Armé | Avantages des Fondations en Maçonnerie | Inconvénients des Fondations en Maçonnerie |
|---|---|---|---|
| Résistance à la traction et à la compression (Eurocode 2) | Corrosion de l’armature possible (nécessite un enrobage suffisant) | Coût initial potentiellement inférieur (pour les petites structures) | Faible résistance à la traction |
| Grande durabilité (résistance aux agressions chimiques du sol) | Poids élevé (nécessite des moyens de manutention adaptés) | Facilité de mise en œuvre pour les petites structures (nécessite moins d’expertise) | Sensibilité aux mouvements de terrain |
| Adaptabilité aux formes complexes (permet des conceptions architecturales variées) | Nécessite une expertise en calcul (Eurocode 2) | Aspect esthétique traditionnel | Moins durable que le béton armé |
Calcul des fondations en béton armé
Le calcul des fondations en béton armé est une étape cruciale pour dimensionner correctement la structure et garantir sa stabilité. Cette section détaille les différentes étapes du calcul, depuis l’étude de sol jusqu’au dimensionnement des semelles, en passant par la détermination des charges. L’utilisation de logiciels de calcul est également abordée.
Étude de sol et données nécessaires
L’étude de sol est une étape préliminaire indispensable au dimensionnement des fondations. Elle permet de caractériser le sol en place et de déterminer ses propriétés mécaniques. Le coût d’une étude de sol représente environ 1% du coût total de la construction, selon l’Observatoire des Coûts de la Construction. Une étude de sol complète doit comprendre des essais en laboratoire et des essais in situ, tels que des essais pénétrométriques (CPT), des essais pressiométriques (PMT) et des essais de cisaillement au laboratoire. Les résultats de ces essais permettent de déterminer la capacité portante du sol, l’angle de frottement interne, la cohésion et le niveau de la nappe phréatique. Ces données sont essentielles pour dimensionner les fondations de manière appropriée.
- Essais pénétrométriques (CPT) : Évaluent la résistance du sol à la pénétration, fournissant des informations sur sa compacité et sa stratigraphie.
- Essais pressiométriques (PMT) : Mesurent la déformabilité du sol sous pression, permettant de déterminer son module pressiométrique et sa contrainte limite.
- Essais de cisaillement au laboratoire : Déterminent la résistance du sol au cisaillement, en mesurant sa cohésion et son angle de frottement interne.
Les différents types de sol nécessitent une approche spécifique lors du dimensionnement des fondations. Par exemple, les sols argileux sont sensibles aux variations d’humidité et peuvent se contracter ou gonfler, tandis que les sols sableux sont généralement plus stables mais peuvent être sujets au tassement. L’étude de sol permet de déterminer les caractéristiques du sol et d’adapter le dimensionnement des fondations en conséquence.
Détermination des charges
La détermination des charges est une autre étape importante du calcul des fondations. Les charges agissant sur les fondations peuvent être classées en trois catégories : les charges permanentes (G), les charges d’exploitation (Q) et les charges climatiques (vent, neige, séisme). Les charges permanentes comprennent le poids propre de la structure, des revêtements et des équipements fixes. Les charges d’exploitation correspondent aux charges liées à l’utilisation du bâtiment (mobilier, personnes). Les charges climatiques dépendent de la région géographique et des conditions météorologiques. Le calcul des charges doit être effectué conformément aux normes en vigueur, telles que l’Eurocode 0 (NF EN 1990). Les combinaisons de charges à considérer sont définies dans les normes et visent à simuler les situations les plus défavorables.
Pour une maison individuelle à deux étages, voici un exemple simplifié de calcul des charges, basé sur les recommandations de l’Eurocode 1 (NF EN 1991) :
- Charges permanentes (G) : 5 kN/m² (plancher), 3 kN/m² (toiture), 2 kN/m² (murs). Ces valeurs sont des estimations basées sur des matériaux de construction courants.
- Charges d’exploitation (Q) : 1.5 kN/m² (plancher), 0.5 kN/m² (toiture). Ces valeurs correspondent aux charges minimales à considérer pour un usage résidentiel.
- Charges climatiques (vent) : Variable selon la région (par exemple, 0.8 kN/m² pour une zone de vent normale). Le calcul précis des charges de vent nécessite de prendre en compte la hauteur du bâtiment, son exposition au vent et la rugosité du terrain.
Dimensionnement des semelles (cas des semelles isolées)
Le dimensionnement des semelles isolées consiste à déterminer les dimensions (longueur, largeur, hauteur) et la section d’armatures nécessaires pour résister aux charges appliquées. La première étape consiste à vérifier que la contrainte au sol sous la semelle ne dépasse pas la capacité portante du sol déterminée lors de l’étude de sol. La formule de vérification de la contrainte est la suivante, selon l’Eurocode 7 (NF EN 1997-1) : σ = N/A ≤ σ adm , où N est la charge verticale appliquée, A est l’aire de la semelle et σ adm est la contrainte admissible du sol. La deuxième étape consiste à vérifier la résistance de la semelle au cisaillement et à la flexion. Ces vérifications sont effectuées conformément aux normes en vigueur, telles que l’Eurocode 2 (NF EN 1992-1-1). La section d’armatures nécessaire est déterminée en fonction des moments de flexion et des efforts tranchants calculés.
Voici un exemple simplifié de dimensionnement d’une semelle isolée, basé sur les principes de l’Eurocode 2 :
Charge verticale appliquée (N) : 500 kN
Contrainte admissible du sol (σ adm ) : 200 kPa
Aire de la semelle (A) : A ≥ N/σ adm = 500/200 = 2.5 m²
Si la semelle est carrée, la longueur de chaque côté est : √(2.5) = 1.58 m (on arrondit à 1.6 m). Pour une sécurité accrue et une meilleure répartition des charges, on choisira une semelle de 1.6m x 1.6m.
Le calcul des armatures nécessitera ensuite de déterminer le moment de flexion maximal et l’effort tranchant, et de dimensionner les armatures en conséquence, en respectant les exigences de l’Eurocode 2 en matière d’enrobage minimal et d’espacement maximal des barres.
Dimensionnement des semelles filantes (cas des murs porteurs)
Le dimensionnement des semelles filantes est similaire à celui des semelles isolées, mais en tenant compte de la répartition linéaire des charges le long du mur porteur. La largeur et la hauteur de la semelle sont déterminées en fonction de la charge linéaire appliquée et de la capacité portante du sol. La section d’armatures nécessaire est calculée en tenant compte des moments de flexion et des efforts tranchants. Il est important de veiller à la bonne liaison entre la semelle et le mur porteur, en utilisant des armatures de liaison appropriées, conformément aux recommandations du DTU 20.1.
Logiciels de calcul (présentation et utilisation)
De nombreux logiciels de calcul sont disponibles pour faciliter le dimensionnement des fondations. Ces logiciels permettent de modéliser la structure, de définir les charges et de réaliser les calculs de vérification de manière automatique. Parmi les logiciels les plus courants, on peut citer Robot Structural Analysis, Effel Structure et Arche Ossature. L’utilisation de ces logiciels présente de nombreux avantages, tels que la rapidité, la précision et la possibilité de réaliser des analyses complexes. Cependant, il est important de valider les résultats obtenus par le logiciel en effectuant des vérifications manuelles et en s’assurant que les hypothèses de calcul sont bien respectées. De plus, la maîtrise des bases du calcul manuel reste indispensable pour comprendre les principes fondamentaux et interpréter correctement les résultats.
Mise en œuvre du béton armé en fondation
La mise en œuvre du béton armé en fondation est une étape cruciale qui nécessite une grande rigueur et un respect des règles de l’art. Cette section détaille les différentes étapes de la mise en œuvre, depuis la préparation du terrain jusqu’au contrôle qualité et à la réception des travaux.
Préparation du terrain
La préparation du terrain consiste à réaliser le terrassement, le nivellement et le compactage du sol. Le terrassement permet de mettre à niveau le terrain et de créer l’excavation pour les fondations. Le nivellement assure une surface plane et horizontale pour la mise en place des semelles. Le compactage du sol permet d’améliorer sa portance et de réduire les risques de tassement. Il est également important d’évacuer les eaux de ruissellement pour éviter l’accumulation d’eau dans l’excavation. La mise en place d’un lit de propreté, constitué de grave ou de béton maigre, permet de protéger le fond de l’excavation et de faciliter la mise en place du coffrage et des armatures.
Coffrage et ferraillage
Le coffrage consiste à réaliser un moule dans lequel le béton sera coulé. Le choix du coffrage (bois, métal, PVC) dépend de la taille et de la forme des fondations. Le montage du coffrage doit être réalisé avec soin pour garantir son étanchéité et sa stabilité. Le ferraillage consiste à mettre en place les armatures en acier à l’intérieur du coffrage. Les armatures doivent être coupées, cintrées et assemblées conformément aux plans de ferraillage. Il est important de respecter les espacements et les recouvrements des armatures, ainsi que de les positionner précisément à l’aide de cales pour garantir un enrobage suffisant du béton, comme le préconise le DTU 21.
Le respect des espacements et des recouvrements des armatures est crucial pour assurer une bonne adhérence entre le béton et l’acier et pour garantir la résistance de la fondation. Les recouvrements des armatures doivent être au moins égaux à 50 fois le diamètre des barres, selon l’Eurocode 2.
Coulage du béton
Le choix du type de béton dépend des exigences de résistance et de durabilité. Le béton peut être préparé sur chantier ou livré par une centrale à béton. Le coulage du béton peut être réalisé directement ou à l’aide d’une pompe à béton. Il est important de vibrer le béton pour éliminer les bulles d’air et assurer une bonne compacité. Le nivellement de la surface du béton permet d’obtenir une surface plane et horizontale pour la mise en place de la superstructure. L’utilisation d’un béton de classe C25/30 est généralement recommandée pour les fondations, selon le DTU 13.11.
| Erreur courante | Conséquence | Prévention |
|---|---|---|
| Manque de vibration du béton | Présence de bulles d’air, affaiblissement de la résistance (jusqu’à 30% selon le CERIB) | Utiliser un vibrateur de béton et s’assurer de couvrir toute la surface |
| Excès d’eau dans le mélange | Diminution de la résistance du béton, augmentation du retrait (risques de fissuration) | Respecter les proportions du mélange, utiliser un béton prêt à l’emploi |
| Enrobage insuffisant des armatures | Corrosion de l’acier, affaiblissement de la structure (risque de rupture à long terme) | Utiliser des cales pour maintenir les armatures à la bonne distance du coffrage |
Cure du béton
La cure du béton consiste à maintenir le béton humide pendant les premiers jours après le coulage. La cure permet d’assurer une bonne hydratation du ciment et d’optimiser la résistance du béton. Les méthodes de cure incluent l’arrosage régulier, l’application de produits de cure et la protection avec des bâches. La durée de la cure dépend des conditions climatiques et du type de béton utilisé. En général, une cure de 7 jours est recommandée, conformément au DTU 21.
- Arrosage régulier : Maintenir la surface du béton humide en l’arrosant plusieurs fois par jour (surtout par temps chaud et sec).
- Application de produits de cure : Former une barrière protectrice sur la surface du béton pour limiter l’évaporation de l’eau.
- Protection avec des bâches : Protéger le béton du soleil, du vent et du gel pour maintenir une température et une humidité optimales.
Contrôle qualité et réception des travaux
Le contrôle qualité consiste à vérifier la conformité des matériaux (béton, acier) et des travaux réalisés aux normes en vigueur. Le contrôle des dimensions et du positionnement des armatures est essentiel. Des essais de compression du béton sont réalisés sur des éprouvettes prélevées lors du coulage pour vérifier la résistance du béton, conformément à la norme NF EN 12390-3. La réception des travaux est effectuée par un expert ou un bureau de contrôle, qui vérifie la conformité de l’ouvrage aux plans et aux spécifications techniques. Le respect des normes et des DTU est primordial pour garantir la qualité et la durabilité des fondations.
Cas particuliers et solutions innovantes
Certains terrains présentent des difficultés spécifiques qui nécessitent des solutions adaptées. Cette section aborde les problèmes rencontrés en terrain difficile et les solutions innovantes pour des fondations durables.
Fondations en terrain difficile
Les terrains difficiles peuvent être caractérisés par la présence de sols compressibles (argiles molles, tourbes), de sols pollués ou de la nappe phréatique. Les sols compressibles peuvent entraîner des tassements importants de la structure. Les sols pollués peuvent nécessiter des mesures de dépollution avant la construction. La présence de la nappe phréatique peut rendre difficile le terrassement et le coulage du béton. Les solutions pour les fondations en terrain difficile incluent l’amélioration du sol (compactage, injection de coulis, réalisation de colonnes ballastées), l’utilisation de fondations spéciales (pieux, micropieux, radiers compensés) et le drainage (mise en place de drains pour abaisser le niveau de la nappe phréatique).
Pour les sols pollués, une solution peut consister à réaliser une excavation et à remplacer le sol contaminé par un sol sain, ou à mettre en place une barrière étanche pour isoler le sol pollué de la structure.
Fondations et développement durable
Le secteur de la construction est de plus en plus sensibilisé aux enjeux du développement durable. L’utilisation de bétons écologiques, l’optimisation du dimensionnement et la réutilisation des matériaux de démolition sont autant de pistes pour des fondations plus durables. Les bétons écologiques peuvent être constitués de béton recyclé (utilisation de granulats recyclés issus de la démolition), de béton bas carbone (utilisation de ciments à faible émission de CO2) ou de béton de chanvre (utilisation de fibres végétales). L’optimisation du dimensionnement permet de réduire la quantité de béton et d’acier utilisée, ce qui diminue les coûts et l’impact environnemental. La réutilisation des matériaux de démolition permet de valoriser les déchets et de réduire la consommation de ressources naturelles. Des projets de construction innovants ont démontré la faisabilité de fondations durables, en utilisant des techniques telles que les fondations superficielles renforcées avec des géotextiles ou les fondations sur pieux en bois.
- Utilisation de béton recyclé : Réduction de la consommation de granulats naturels et valorisation des déchets de construction.
- Optimisation du dimensionnement : Diminution de la quantité de béton et d’acier utilisée, réduisant ainsi l’empreinte carbone du projet.
- Réutilisation des matériaux de démolition : Valorisation des déchets et réduction de la consommation de ressources naturelles.
- Utilisation de ciments à faible émission de CO2 : Réduction de l’impact environnemental de la production de ciment.
Conclusion : vers des fondations durables et performantes
Le calcul et la mise en œuvre du béton armé en fondation sont des opérations complexes qui nécessitent une expertise et une rigueur considérables. Une bonne conception et une exécution soignée sont essentielles pour garantir la stabilité et la durabilité de la structure. Les évolutions technologiques et les préoccupations environnementales ouvrent la voie à des solutions innovantes pour des fondations plus performantes et plus respectueuses de l’environnement.
N’hésitez pas à faire appel à des professionnels qualifiés (ingénieurs structure, bureaux d’études, entreprises spécialisées) pour la conception et la réalisation de vos fondations. Le respect des règles de l’art et des normes en vigueur (Eurocodes, DTU) est primordial pour assurer la sécurité et la pérennité de votre construction. Une surveillance régulière des fondations et une maintenance adéquate permettent de prévenir les désordres et de prolonger la durée de vie de l’ouvrage. De nombreuses ressources en ligne et des formations professionnelles sont disponibles pour approfondir vos connaissances sur les fondations en béton armé. Contactez-nous pour une étude personnalisée de votre projet et bénéficiez de notre expertise en matière de fondations durables et performantes.