Poussée du Béton Frais

ABAQUES

La plus part du temps la mise en œuvre des coffrages verticaux industriels permet de garantir la stabilité du coffrage par rapport à la poussée du béton. Parfois, il est nécessaire de dimensionner les ancrages du coffrage afin de reprendre cette poussée. Il devient alors nécessaire de la connaître.

Comment le béton frais agit-il sur le coffrage ? Que vaut la pression exercée par le béton ?

Pour répondre à ces questions, il faut dans un premier temps identifier la nature de la poussée du béton frais.

Observons le comportement du béton frais sans maintient pour une ouvrabilité inférieure à 7cm. L’observation de la forme prise par l’affaissement de ce type de béton frais montre que le béton ne tient pas seul comme un matériau solide. Mais, il ne s’étale pas non plus comme un liquide. Il est entre les deux. Le béton frais s’affaisse à peu près comme un liquide en haut pour se stabiliser à sa base approximativement en forme de voûte. Comment déterminer la poussée produite par le béton sur le coffrage ? Une méthode Française répond au problème en partant de l’hypothèse simplificatrice que le béton se comporte comme un liquide. Puis cette méthode minore la pression ainsi définie en prenant en compte les phénomènes qui situent le béton frais à l’état plastique, c'est-à-dire entre un solide et un liquide.

Cette approche intègre ainsi trois phénomènes :

La poussée hydrostatique,

l’effet limitant cette poussée du fait de la plasticité du béton,

et l’effet de stabilisation de l’affaissement du béton à sa base en forme de voûte comme on le voit sur la photo.

Déterminons la poussée du béton frais au travers un exemple.

Supposons que l’on ait besoin de connaître cette pousser pour stabiliser un voile de 3.50m de hauteur et de 0.4m d’épaisseur.

La poussée hydrostatique :

En approchant l’état du béton par l’état d’un liquide, le béton pousse le coffrage à l’horizontal. L’intensité de cette poussée est égale à la pression exercée par la masse du béton.

Cette pression est approchée par la valeur de 25kN/m². La poussée hydrostatique est directement proportionnelle à la profondeur, h du béton. Elle vaut : 25xh Indépendamment de tout autre effet, cette modélisation est à peu près vraie jusqu’à 6m de profondeur. Au-delà le béton se stabilise et produit une poussée limitée à 25x6=150kN/m

Au sommet du coffrage elle est nulle. Puis elle croît proportionnellement à la profondeur du coffrage pour atteindre sa valeur maximale à 3.50m, en fond de coffrage avec une valeur de 3.5x25=87.5kN/m. Cela signifie qu’en fond de coffrage sur une bande de un mètre de large, la poussée du béton vaut 87.5kN

Cette modélisation signifie que si le coffrage est retiré, le béton s’étale au sol comme de l’eau.

Ce n’est pas la réalité, son étalement est limité du fait qu’il est plastique. Il faut ajuster le modèle du liquide en intégrant cet effet de plasticité appelé aussi effet de durcissement. Cet effet limite donc la poussée hydrostatique du béton.

L’effet de plasticité, ou effet de durcissement :

Cet effet de plasticité est du à la cohésion entre les grains. Cette cohésion limite l’étalement du béton par un maintient partiel.

Cet effet plastique dépend la plasticité du béton, mais également de la vitesse de remplissage du coffrage. Si le coffrage était rempli instantanément, le béton n’aurait pas le temps de se stabiliser et il s’étalerait comme un liquide.

Les valeurs de limitation de la poussée hydrostatique sont rassemblées sur un graphe selon la vitesse de levée et l’affaissement.

Plus la valeur de la poussée est grande, plus le béton a besoin du coffrage pour se maintenir et moins la cohésion plastique n’a d’effet sur le maintient du béton.

Pour la même ouvrabilité la valeur poussée augmente avec la vitesse de levée. Cela signifie que plus la vitesse de levée est rapide, moins le béton parvient à se maintenir seul, plus il se comporte comme un liquide et plus il pousse sur le coffrage. Pour la même vitesse de levée, plus l’ouvrabilité est grande, plus la valeur de la poussée est grande. Cela signifie que moins le béton est plastique, moins il se maintient seul et plus il exerce de pression sur le coffrage.

Vitesse de levée : Les voiles de 0.40m d’épaisseur sont coulés par tranche de 11.25m. Le béton est coulé par benne de 1.25m³. La benne est vidée de façon répartie sur la longueur du coffrage en moyenne en 4 minutes. La benne est donc vidée sur une surface de 11.25x0.40=4.50m². La levée du coulage par benne vaut donc : 1.25/4.50=0.30m. La vitesse de levée vaut : 0.30/4=0.075m/minute, soient : 0.075x60=4.5m/h.

La lecture du graphe montre que pour un affaissement de 7cm et une vitesse de levée de 4.5m/h, la plasticité du béton limite la poussée hydrostatique à 150kN. Comme la poussée hydrostatique a une valeur maximale de 87.5kN, à cette vitesse de coulage la plasticité du béton ne produit aucun, effet : il se comporte comme un liquide.

Il est a observer également que la valeur minimum vaut 50kN/m. La poussée hydrostatique parvient à cette valeur à partir d’une profondeur de 50/25=2m. Autrement dit, la limitation de la poussée hydrostatique par la plasticité du béton ne s’observe que pour des parois verticales d’une hauteur supérieure à 2m et pour une vitesse de levée très lente.

L’effet de voûte :

Cet effet ne s’observe que pour les bétons dont l’affaissement est inférieur à 7.5cm. C’est ici le cas.

Cet effet dépend aussi de la largeur du coffrage et de la vitesse de levée. Plus le coffrage est large, plus le béton s’étale et moins cet effet est observé. De même, plus la hauteur de coulage augmente, moins le béton n’a le temps de se stabiliser.

Les valeurs de limitation de la poussée hydrostatique sont rassemblées sur un graphe selon la vitesse de levée et l’épaisseur du coffrage.

Comme pour la plasticité, plus la vitesse de levée est rapide, moins l’effet de voûte se produit et plus le comportement du béton se rapproche de celui d’un liquide. Il en est de même pour l’incidence de l’épaisseur de la pièce bétonnée. Plus elle est épaisse, moins l’effet se produit.

La lecture du graphe montre que la formation d’une voûte à la base du béton limite la poussée hydrostatique à 65kN.

Ici la voûte se forme à une profondeur de 65/25=2.6m.

Cela signifie qu’à partir d’une profondeur de 2.6m le béton ne se comporte plus comme un liquide : il s’étale moins et s’affaisse moins pour former une voûte qui exerce une pression régulière sur le coffrage de 65kN.

En somme, la pression exercée par le béton sur le coffrage à cette forme et ces valeurs. Cette hypothèse, nécessite de garantir que le béton livré sur le chantier a effectivement un affaissement inférieur à 7.5cm et que la vidange de la benne à béton est répartie sur la surface du voile.

Remarque :

Pour un voile de bâtiment classique c'est-à-dire d’une hauteur de 2.50m d’une épaisseur de 0.20m et d’une vitesse de levée proche de 9m/h, l’effet de voûte de se produit pas. Le graphe indique une pression de 65kN/m. Hors la poussée hydrostatique atteint cette valeur à partir d’une hauteur de 65/25=2.60m.

Pour un voile classique, le béton frais se comporte comme un liquide et sa poussée croît régulièrement de 0 à 25x2.5=62.5kN/m

Cela signifie que :

les effets produits par la plasticité du béton n’ont de conséquences significatives que sur les éléments de forte hauteur (à partir de 3m) ou sur des éléments coulés très lentement. En dehors de cela, le béton frais se comporte comme un liquide.

Que vaut globalement cette poussée et où s’applique-t-elle ?

Le raisonnement est conduit sur une bande de coffrage de 1m de largeur.

Globalement, la poussée est la somme de chaque poussée ponctuelle. Autrement dit, c’est la surface des poussées ponctuelles. Cette surface peut être décomposée en un triangle et un rectangle.

La surface du triangle vaut : 2.6x65/2=84.5kN

La surface du rectangle vaut : 0.9x65=58.5kN

La poussée globale vaut : 84.5+58.5=143kN

La poussé s’applique au centre de gravité des forces. C’est la composition du centre de gravité du triangle affecté d’une force de 84.5kN et du rectangle affecté d’une force de 58.5kN.

En se repérant par rapport à la base du coffrage, le centre de gravité du triangle se situe à : 1/3x2.6+0.9=1.77m

De même le centre de gravité de rectangle se situe à : 0.9/2=0.45m

Le centre de gravité global se situe à : (1.77x84.5+0.45x58.5)/(143)=1.23m

Globalement la poussée du béton produit une force de 143kN qui s’applique à 1.23m du bas du coffrage.

Remarque :

Pour un voile classique la poussée globale du béton frais sur une bande de 1m de large vaut :

2.50x62.5/2=78kN. Cela représente une masse de 7.8t par largeur de 1m !

Cela montre l’importance du problème de la stabilité des coffrages par rapport à cette poussée.

Quels effets cette poussée produit-elle sur le coffrage?

La charge est horizontale et sa résultante ne s’applique pas en pied de coffrage. La poussée produit donc deux effets.

Elle pousse le coffrage horizontalement, ce qui peut provoquer une translation horizontale du coffrage.

Le fait que la résultante n’est pas en pied de coffrage, la poussée tend à faire basculer le coffrage. Elle produit un moment sur le coffrage.

La stabilité du coffrage est obtenue lorsque les ancrages compensent la poussée horizontale et le basculement du coffrage.

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