Béton armé, des simples pots aux plus hauts bâtiments du monde

C'est un matériau si courant et si souvent utilisé que la plupart des ingénieurs n'y réfléchissent pas en profondeur. Pour la plupart d'entre nous, c'est simplement un matériau qui doit répondre aux paramètres requis sous diverses formes. Mais en travaillant avec lui, vous êtes-vous déjà demandé de quel pays il est originaire ? Ou quelle est l'histoire d'un matériau sans lequel de nombreux bâtiments célèbres dans le monde n'auraient jamais pu être construits ?

Pour cet article, mettons de côté les problèmes d'ingénierie complexes, la conception et les évaluations structurelles, l'analyse des charges et l'application des normes. Faisons ensemble un court voyage dans l'histoire pour voir d'où vient ce matériau, ses origines et comment il s'est développé, donnant naissance à une quantité incroyable de bâtiments fonctionnels et admirables.

Comme son nom l'indique, le béton armé primitif était composé de deux éléments essentiels : le fer et le béton. Avant d'aborder le béton armé lui-même, jetons un rapide coup d'œil au béton. Celui-ci est connu de l'humanité depuis plus de 2000 ans.

Les avantages du béton ont déjà été exploités par les Romains (certains disent les Égyptiens). Certains des bâtiments qu'ils ont construits avec ce matériau sont encore debout aujourd'hui. Un excellent exemple est la plus grande coupole monolithique du monde, celle du Panthéon de Rome (image ci-dessous), construite en utilisant la technologie du béton coulé en place au deuxième siècle après J.-C. Ce n'est pas le seul exemple d'utilisation précoce du béton : il existe de nombreuses structures similaires dans le monde.

Il est donc surprenant que l'idée de renforcer le béton avec des éléments en fer ne soit apparue qu'au XIXe siècle. Avec un peu d'exagération, cette période peut être qualifiée de période de la Renaissance technique. Outre le béton armé, l'utilisation de l'acier a également révolutionné la construction. Il a commencé à apparaître à plus grande échelle sous forme d'éléments porteurs peu de temps avant le béton armé lui-même.

Au XIX^e siècle, plusieurs pionniers ont expérimenté le béton armé. Parmi les premiers et les plus importants figurait l'Anglais William Boutland Wilkinson, qui expérimentait des solutions ignifuges dans la construction de bâtiments. En 1854, il utilisa des tiges et des câbles en acier pour renforcer le béton dans la construction d'une maison pour ses domestiques. Il breveta une solution qui s'avéra concluante.

Un autre pionnier fut l'industriel français François Coignet, le premier à construire un bâtiment de quatre étages entièrement en béton armé dans la ville française de Saint-Denis en 1853. Il déposa également un brevet pour sa solution en 1855.

Le premier « ancêtre » du béton armé tel que nous le connaissons aujourd'hui, qui combine efficacement le meilleur des deux matériaux, c'est-à-dire la résistance à la compression du béton ordinaire avec la résistance à la traction du fer, peut être daté de 1867. À cette époque, un jardinier français, Joseph Monier (image ci-dessous), cherchait un remplacement aux pots en argile et en bois. Il essaya d'en fabriquer en béton, mais ils se fissuraient — il tenta alors de trouver un moyen de les rendre suffisamment solides.

Il eut l'idée d'utiliser une simple structure en fer, qu'il recouvrit ensuite de béton. Le résultat dépassa toutes les attentes, et Joseph Monier breveta sa solution le 16 juillet 1867.

Il exposa même son invention à l'Exposition de Paris cette année-là, où sa solution rencontra un grand succès. C'est en juillet de cette année (2022) que ce brevet a célébré son 155^e anniversaire.

Le béton armé a ensuite connu un essor considérable dans le secteur de la construction dans le monde moderne. Il s'est répandu aux États-Unis avant la fin du siècle.

Il est rapidement devenu un matériau utilisé dans tous les types de bâtiments — des routes et des maisons aux bâtiments monumentaux des plus grandes agglomérations mondiales. Parallèlement à cette expansion, les exigences relatives à ses propriétés ont cependant augmenté. Le béton, en tant qu'élément essentiel, a connu une évolution révolutionnaire au fil des années. Les ingénieurs ont expérimenté la composition et les charges, de nouvelles classes ont été créées, et les possibilités d'utilisation dans divers environnements se sont élargies.

Ainsi, tout comme la technologie de production du béton a évolué et ses propriétés se sont améliorées, les méthodes de calcul des structures en béton ont connu la même évolution.

Chaque structure contient des zones dites B et D, qui se caractérisent par une approche de conception différente.

Que sont les zones B ?

Les zones B peuvent être définies comme des régions dans lesquelles l'hypothèse de Bernoulli-Navier est valable, ce qui suppose qu'une section transversale plane avant déformation reste plane après déformation. Pour ces régions, la solution et le jugement donnés dans les normes peuvent être utilisés en toute sécurité. IDEA StatiCa RCS et IDEA StatiCa Beam proposent des solutions pour les zones B dans lesquelles la théorie des poutres est valable.

Que sont les zones D ?

Les endroits où l'hypothèse de Bernoulli-Navier n'est pas valable sont appelés régions de discontinuité ou régions de rupture : les régions D. Ce sont des régions d'appui, autour de poutres isolées, des endroits de changements brusques de sections transversales, des ouvertures, etc. Dans la conception des structures en béton, on rencontre un certain nombre d'autres zones D telles que les voiles, les poutres de pont, les consoles courtes, etc.

Malgré le développement de plusieurs outils de calcul au cours des dernières décennies, la méthode Bielle-et-tirant est encore utilisée dans les calculs manuels. Cependant, son application aux structures réelles est chronophage, car plusieurs itérations doivent être effectuées et plusieurs cas de charge doivent également être pris en compte. De plus, cette méthode est inadaptée à la vérification des critères de serviceabilité (déformation, largeurs de fissures, ...).

Ces défis et d'autres similaires liés à l'analyse des structures en béton ont conduit des entreprises à collaborer avec le monde académique. IDEA StatiCa a suivi la même approche et, en collaboration avec l'ETH Zurich, IDEA StatiCa a développé et testé de manière approfondie une méthode appelée Méthode du Champ de Contraintes Compatible (CSFM) pour la conception des régions de discontinuité.

Cette méthode a été implémentée dans l'application IDEA StatiCa Concrete et est basée sur une implémentation informatique d'un modèle de champ de contraintes utilisant les propriétés de base des matériaux spécifiées dans les normes de conception du béton. Le CSFM surmonte les limitations des approches classiques et peut être considéré comme une méthode d'analogie de treillis généralisée, mais dans laquelle les régions effectivement sollicitées sont prises en compte au lieu des efforts résultants.

Le béton et le béton armé sont ainsi devenus des matériaux dont l'utilisation est souvent précédée d'analyses complexes. Les premiers pionniers qui les ont expérimentés n'auraient certainement pas imaginé les bases aussi larges qu'ils posaient pour l'industrie et jusqu'où évoluerait la construction en béton armé.

Quel est l'avenir du béton armé ? Selon le Prof. Kolísko, directeur de l'Institut Klokner à Prague, le béton armé est si largement utilisé et si facile à mettre en œuvre que l'on ne peut pas s'attendre à son remplacement prochainement. Cependant, l'optimisation des structures en béton liée à une utilisation plus économique du ciment, qui contribue significativement à l'empreinte carbone, sera de plus en plus fréquente.

L'avenir résidera sans aucun doute dans l'UHPC (béton à ultra-haute performance), qui fait déjà l'objet d'expérimentations et produit des résultats prometteurs pour l'optimisation des structures en béton.

Nous sommes heureux que notre application IDEA StatiCa et d'autres fassent partie de cette histoire. Depuis plusieurs années, nous aidons les ingénieurs du monde entier à concevoir et à optimiser des structures en acier et en béton, en leur faisant gagner du temps dans la conception et la vérification normative de tout élément en béton.

... Saviez-vous que des cargos ont également été conçus en béton armé ? Mais nous en parlerons la prochaine fois.