Au sein du génie civil, l’une des spécialités les plus intéressantes est la branche structurelle, qui se consacre à la conception et au calcul des éléments qui composent les bâtiments, les ponts, les barrages, etc. et qui rendent leurs structures résistantes aux charges auxquelles ils seront subir tout au long de leur vie utile.

Cette spécialité a évolué au cours de l’histoire grâce à l’apparition de nouveaux éléments structurels et à l’utilisation de matériaux plus résistants, qui ont permis de franchir des jalons importants comme la construction du Burj Khalifa, actuellement le plus haut bâtiment du monde avec ses 828 mètres.

Une analyse structurelle sera effectuée, en se concentrant sur les deux principaux matériaux utilisés dans la construction des ouvrages de génie civil aujourd’hui : l’acier et le béton.

Ouvrages métalliques

L’utilisation de matériaux métalliques dans la construction remonte à l’époque de la Grèce antique, lorsque des poutres en fer forgé étaient utilisées pour construire certains temples. Cependant, ce n’est qu’après la révolution industrielle que les structures métalliques ont pris une réelle importance.

Ainsi, au cours du XIXe siècle, l’utilisation du fer pour la construction se généralise, entre autres grâce à la production en série de pièces et à l’apparition de profilés en double T. Grâce à ces avancées et à des esprits comme Gustave Eiffel, des projets comme celle qui porte son nom, la Tour Eiffel, ont vu le jour.

Cependant, aujourd’hui, le fer a cédé la place à l’acier comme matériau principal des structures métalliques après l’invention, au milieu du siècle dernier, de différents procédés de production et en raison de ses caractéristiques exceptionnelles.

Il est principalement constitué d’un alliage de fer et de carbone auquel d’autres matériaux peuvent être ajoutés pour améliorer ses caractéristiques. Il a une masse volumique de 7 850 kg/m3 et un module d’élasticité (E) de 210 000 N/mm2. Quant à sa limite élastique (fy), elle varie de 235 à plus de 400 N/mm2 selon le type d’acier.

Il faut également ajouter la grande variété de profils standardisés qui existent actuellement (IPE, HEA, HEB, UPN, en L, etc.), qui constituent un large catalogue pour choisir le type de section qui convient le mieux à la structure. vos frais

Comportement en flexion de l’acier

L’un des grands avantages des poutres en acier est leur haute résistance aux contraintes de traction, de compression et de flexion. Pour l’étude de ces derniers, les lois Momentum-Courbure obtenues à partir des lois, des matériaux et de l’hypothèse de déformation plane des sections de Navier-Bernouilli sont utilisées.

La zone initiale correspond à la branche élastique caractérisée par sa grande rigidité, se terminant par la limite élastique qui se situe entre les déformations de 0,11 à 0,17n selon les aciers.

Ensuite, il y a une zone presque horizontale appelée « rendement » ou « rendement », qui se dilate avec des déformations d’environ 1,5 à 2,5%. Enfin, la branche durcissante apparaît jusqu’à atteindre la déformation à la rupture, située à 12-17 %.

Une fois la contrainte de rupture atteinte, l’acier continue de se déformer tandis que la contrainte de rupture diminue, avec des déformations de 20 à 25 %.

ouvrages en béton

L’histoire du béton remonte à l’Égypte ancienne, où des mélanges de plâtre et de calcaire dissous dans l’eau étaient utilisés pour assembler des blocs de pierre. Mais c’est dans la Grèce antique que le premier béton a été fabriqué, lorsque du calcaire calciné était mélangé à de l’eau, du sable et de la pierre concassée.

Il faudra cependant attendre le XIXe siècle pour que la grande révolution du béton ait lieu grâce à la création par Joseph Aspdin et James Parker du ciment Portland, l’un des principaux matériaux composant le béton.

Plus tard, et grâce à l’essor de l’industrie du béton à partir du XXe siècle, son utilisation dans les ouvrages de génie civil se généralise, donnant lieu à une multitude de projets en béton, comme ceux réalisés par l’ingénieur suisse Robert Maillart.

En ce qui concerne sa composition, le béton est obtenu à partir d’un mélange de ciment Portland, de granulats, d’eau et d’additifs, ces derniers étant chargés de donner au béton des caractéristiques particulières, obtenant une densité approximative de 2,3-2,5 kg/m3 selon le type de béton utilisé (massif, armé ou précontraint). Dans l’article « L’importance de la cure du béton et les différentes méthodes pour le faire correctement », nous détaillons la composition et les phases de création du béton.

Comportement et résistance du béton.

Le béton, contrairement à l’acier, ne se comporte pas de la même manière face aux contraintes de traction et de compression, la résistance à la traction étant de l’ordre de 10 % et la résistance à la compression.

Par conséquent, les éléments en béton fonctionnent de manière optimale sous contrainte de compression, mais dans les zones où des contraintes de traction ou de flexion se produisent, les pièces se fissurent, ce qui peut entraîner une défaillance structurelle si rien n’est fait.

De plus, il faut ajouter deux phénomènes qui se produisent dans les éléments en béton : le retrait et le fluage, qui sont responsables de générer des déformations supplémentaires dans la pièce.

Le béton est un matériau qui atteint 80 à 90 % de sa résistance au bout de 28 jours, après être passé d’un état plastique initial à un état solide. Au cours de ce processus, le béton perd du volume car une partie de l’eau qui le compose s’évapore, ce qui produit l’apparition de forces de traction pouvant provoquer des fissures.

De même, une fois que le béton a atteint sa résistance maximale, les variations qu’il subit au cours de sa vie utile dans l’environnement et en température génèrent également la perte de volume.

Enfin, il faut parler du fluage qui se produit dans le béton, qui peut être résumé comme l’augmentation de la déformation de l’élément structurel sous une charge constante au cours du temps.

Dans certains cas, cette déformation retardée est très importante et doit donc être étudiée dans le cadre de l’analyse structurale. Le fluage dépend de facteurs tels que la résistance du béton, le volume de la pièce et l’humidité du milieu environnant.

structures mixtes

Après avoir vu les caractéristiques mécaniques et le comportement des deux principaux matériaux utilisés dans les structures métalliques et en béton, un bref aperçu du traitement des structures composites, dans lequel les deux sont combinés.

Ils sont utilisés dans les tabliers de pont, les dalles, les planches ou les pieux, où la haute résistance à la compression du béton et de l’acier à la traction est utilisée. Cela signifie également des économies de coûts considérables par rapport aux structures tout acier.

En conclusion, les connaissances requises pour l’analyse des structures en acier, en béton et en composite sont très larges et nécessitent une formation spécialisée. Dans le blog Structuralia, il y a des articles tels que « 5 logiciels utilisés pour la conception et le calcul des structures dans le bâtiment et les travaux publics » dans lesquels nous nous plongeons dans le calcul des structures.

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