D’après l’apparence de l’allée ou du trottoir moyen, il peut sembler que le béton est simplement destiné à se fissurer. Mais si le béton est si sujet à la fissuration, comment pouvons-nous l’utiliser dans autant d’applications à fortes contraintes comme les ponts et les gratte-ciel? Cette question est survenue alors que je recherchais de la thermite imprimée en 3D pour un article. La thermite est souvent utilisée dans le soudage de voies ferrées, et j’ai lié une vidéo de voies fraîches en cours de soudure qui avaient des traverses en béton. Je savais que je devais découvrir comment fabriquer du béton pour résister à la pression des trains de marchandises.

À lui seul, le béton est fragile et ne lui donne aucun avantage. Mais cela ne veut pas dire que ce n’est pas fort. Bien que le béton ait une bonne résistance à la compression, la résistance à la traction est assez faible. Vers la fin des années 1800, quelqu’un a pensé fortifier les travées de béton avec des barres d’armature en acier, mieux connues sous le nom de barres d’armature. L’acier peut s’étirer, l’ajout de barres d’acier confère au béton une certaine résistance à la traction qui va de pair avec sa résistance à la compression. Rebar permet également des dalles plus minces et d’autres éléments.

L’armature ne va que si loin

Les parkings sont censés être remplacés occasionnellement. Image via Checkers Safety

Les barres d’armature ou le béton armé sont bons pour des choses comme les blocs de stationnement et les routes, mais ils échouent toujours avant de devoir le faire. En fait, il doit généralement se fissurer avant que la barre d’armature ne puisse ébrécher sa résistance à la traction.

Dans les applications de béton à haute contrainte comme les ponts et les gratte-ciel, il est extrêmement important d’éviter la déformation – c’est à ce moment qu’un élément en béton fléchit et se plie sous la charge. La déflexion peut faire éclater les peaux de verre modernes des gratte-ciel, entre autres problèmes.

Un pont solide et rigide est beaucoup plus agréable à marcher, à conduire et à vélo qu’un pont qui se balance dans la brise. Mais comment faire un pont rigide? Une solution consiste à appliquer des contraintes sur le béton avant qu’il ne supporte le chargement de voitures et de camions ou un horaire régulier de trains de marchandises.

Le béton précontraint est comme le béton armé, mais avec la puissance supplémentaire de la tension intégrée. En ajoutant une contrainte au béton avant sa mise en service, la flexion sera réduite ou peut-être complètement éliminée. Avec l’ajout de la résistance à la traction, une plus grande partie de la propre résistance du béton peut entrer en jeu.

Un ancrage de tendon pour la post-tension. Image via Wikipedia

Méthodes de tension

Le béton précontraint est fabriqué en faisant passer des câbles à travers un élément en béton ou à côté de celui-ci, puis en tirant les câbles tendus à partir des points d’ancrage pour ajouter de la tension. Ces tendons sont généralement en acier à haute tension, en fibre de carbone ou en fibre d’aramide, qui est utilisée dans les tissus anti-balistiques. Ils sont disposés dans une configuration monostrand ou multi-brins et agissent un peu comme des élastiques.

Le résultat de la précontrainte du béton est que les futures forces de compression feront que le membre de service se comportera comme du super béton, et que les futures forces de traction le feront agir plus comme de l’acier à haute tension. En d’autres termes, le béton précontraint peut résister à la pression et même à la torsion beaucoup mieux que le béton ordinaire. Il est essentiellement programmable car il est précontraint d’une manière calculée qui imite les contraintes qu’il supportera une fois en service.

Le «pré» en précontrainte signifie que cela se produit avant la mise en service de l’élément en béton. La mise en tension elle-même peut être effectuée soit avant le coulage du béton, soit après sa prise. Il y a plusieurs raisons d’utiliser une méthode ou une autre, mais elles sont assez égales en termes de résultats.

Un lit de coulée pour poutres. Image via Wikipedia

Pré-tension: avant la coulée

Il s’agit de la méthode la plus ancienne de précontrainte du béton, et elle remonte à la fin des années 1800. La précontrainte est généralement utilisée dans la fabrication de poutres, de dalles de plancher, de balcons, de réservoirs d’eau et de tuyaux en béton. Avant que le béton ne soit coulé, les câbles sont fixés entre les ancrages d’extrémité, que les câbles se retrouvent dans le béton ou juste à côté.

Au fur et à mesure que le béton durcit, il adhère aux tendons et la tension des tendons est transférée au béton durci. Une fois déverrouillées, les tiges restent tendues, maintenues en place par le béton. La pré-tension est souvent effectuée avant un projet de construction et les pièces terminées sont expédiées sur le site. De cette façon, les multiples peuvent être fabriqués à la fois dans un grand moule appelé lit de coulée. Ceux-ci sont mis en place avec des câbles de plusieurs éléments de long, puis coupés une fois que le béton a durci.

Post-tension

Comme vous pouvez l’imaginer, la post-tension est effectuée après le durcissement du béton. En post-tension, les câbles sont à l’intérieur de manchons en plastique ou en acier galvanisé et le béton est coulé avec les manchons. Une fois le béton coulé, les câbles sont tendus par les ancrages au moment où ils sont en précontrainte.

Il y a deux façons de procéder à la post-tension: collée et non collée. En post-tension collée, le coulis est appliqué sur la gaine du tendon avant la mise en tension, ce qui les fixe en permanence au béton. Cela fait trois choses: il protège contre la corrosion, il se verrouille dans le tendon avant la mise sous tension et il améliore les comportements structurels du béton une fois que l’élément est là pour faire son travail. En post-tension non collée, les câbles sont dans une gaine remplie de graisse au lithium et sont ainsi autorisés à se déplacer longitudinalement à l’intérieur du béton. Ceux-ci sont généralement préparés hors site et à l’avance.

Découvrez l’expérience concrète dans la vidéo ci-dessous. Les éléments en béton pré-tendus et post-tendus sont tous deux capables de résister à deux fois plus de force que l’élément avec des barres d’armature traditionnelles. Ce n’est pas que le béton tendu est magiquement plus fort, mais simplement qu’il est autorisé à atteindre plus de son potentiel de résistance. Assurez-vous de rester après l’expérience pour un regard dramatique sur le processus de fabrication des traverses de chemin de fer en béton.

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