Les bétons précontraints

Bruno Caillard

Historique du béton précontraint

Le béton est un matériau qui dispose d’une grande résistance face à la compression mais qui est fragile face à la flexion. Pour y remédier, des armatures en acier ont été incorporées dans le béton, donnant le béton armé.
En 1928, Eugène Freyssinet eut l’idée de préparer le béton afin que ce dernier puisse faire face à des charges et à des tractions qui peuvent présenter un danger pour son intégrité (fissures puis rupture).
La préparation du béton consiste à suffisamment le comprimer pour qu’en tous points, les compressions soient supérieures aux tractions qui se développeront ultérieurement.
La compression préalable du béton est la précontrainte, un vocabulaire utilisé pour la première fois par Eugène Freyssinet en 1933.
De ce fait, le béton précontraint est un béton dans lequel on introduit, avant sa mise en service, des tensions opposées à celles qu’il devra subir.
L’intensité de la précontrainte à mettre en œuvre dépend évidemment des tractions auxquelles il faudra s’opposer et des raccourcissements instantanés et différés du béton.

Utilisation du béton précontraint

Le béton précontraint permet de réaliser des ouvrages soumis à des contraintes importantes, comme les ponts, les silos et les réservoirs, ou des éléments structuraux de faible épaisseur mais de portée importante comme les poutres et les dalles. Il autorise l’exécution des projets architecturaux plus sophistiqués et plus audacieux. Cette technique s’applique aussi bien aux ouvrages coulés sur place qu’aux éléments préfabriqués, aux enceintes des réacteurs nucléaires et aux bâtiments industriels.

Principe du béton précontraint

Le béton est précontraint au moyen de câbles qui sont tendus par des vérins : la tension des câbles va appliquer au béton une contrainte de compression dont l’intensité va dépendre des charges de flexion que l’ouvrage aura à subir. L’objectif de la précontrainte est de soumettre le béton à des contraintes permanentes de compression destinées à compenser les forces de traction qui seront appliquées à l’ouvrage. Les forces de flexion ne viendront alors qu’en déduction de la force de la précontrainte initiale. Cette précontrainte peut être appliquée par pré-tension, c’est-à-dire que les câbles sont tendus avant le coulage du béton. Elle peut également être appliquée par post-tension. Dans ce cas, les câbles sont tendus après le durcissement du béton.

Armatures de précontrainte

Les armatures de précontrainte sont en acier à haute résistance. Elles se présentent sous la forme :

  • de fils lisses ou crantés (ces derniers sont utilisés en précontrainte par pré-tension) de diamètre 2,5 mm à 12,2 mm
  • de torons qui sont un assemblage de plusieurs fils. Il existe les torons à 2, 3 ou 7 fils de diamètre 4,8 à 18 mm. On utilise couramment les torons 3 fils de diamètre 5,2 mm et les torons 7 fils de diamètre 6,85 mm à 15,7 mm.

Les caractéristiques des torons les plus couramment utilisés sont données dans le tableau ci-après :

DésignationClasse [MPa]Diamètre [mm]Section [mm²]
T 131 86012.593
T 13 S1 86012.9100
T 151 86015.2139
T 15 S1 86015.7150
  • de barres lisses ou à reliefs formant un filetage de diamètre 15 mm à 75 mm.
  • de câbles constitués de plusieurs torons en acier à haute résistance pour le béton précontraint. La gamme des câbles s’étend des câbles monotorons aux câbles de très grande puissance comportant jusqu’à 55 torons. Les unités les plus courantes, pour la précontrainte longitudinale, sont les unités 12 ou 13 T15 S (composées de 12 ou 13 torons T15 S) pour la précontrainte intérieure et 19 T15 S pour la précontrainte extérieure. Un câble est défini par le type, le nombre de torons et la classe de résistance.

Mise en oeuvre du béton précontraint

  • Précontrainte par post-tension

Après le coulage et le durcissement du béton, les câbles de précontrainte sont passés dans les gaines préalablement mises en place et les ancrages et seront acheminés jusqu’à des vérins qui permettront leur mise en tension. La tension des câbles est contrôlée par la mesure de leur allongement. Quand les câbles seront libérés, le béton est alors mis en compression. Une fois les vérins démontés et les câbles coupés à leurs extrémités, les gaines seront injectées d’un coulis de ciment (ou parfois de cires ou de graisses) dans le but de protéger les câbles de la corrosion.

Précontrainte par post-tension

Mise en tension des câbles en précontrainte par post-tension.

  • Précontrainte par pré-tension et fils adhérents

Les câbles de précontrainte sont disposés et tendus dans des bancs de précontrainte avant le bétonnage. Le béton frais est mis au contact des armatures. Lorsqu’il a acquis une résistance suffisante, on libère la tension des fils qui se transmet au béton par adhérence et engendre par réaction sa mise en compression. Les fils détendus veulent reprendre leur longueur initiale mais leur adhérence au béton empêche ce raccourcissement et l’effort qu’il a fallu exercer pour les tendre se transmet au béton.
Cette technique est utilisée en préfabrication et permet la production de poutres, des poteaux, des dalles précontraintes, …

Précontrainte par pré-tension

Les câbles de précontraintes sont disposés et tendus dans des bancs de précontrainte.

Avantages du béton précontraint
Les avantages de la précontrainte sont :

  • une meilleur résistance face aux différentes contraintes tranchantes de flexion ainsi qu’à la traction et à la compression vu que l’emploi du béton précontraint limite les risques de fissures et de craquelures durant toutes les étapes de charge, augmentant ainsi la durabilité de la construction
  • une section plus faible de certains matériaux (par exemple la poutre)
  • un gain de poids important
  • une baisse des coûts des structures porteuses
  • une infinité de possibilités architecturales en construction : grâce aux éléments précontraints en béton, les éléments architectoniques obtenus sont plus efficients et minces.

Inconvénient du béton précontraint
Les ancrages sont délicats à mettre en oeuvre.