LES CLES DU DIMENSIONNEMENT
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Dimensionnement des structures en béton > L’enrobage des armatures
Incidence de la qualité de l’enrobage
L’enrobage des armatures représente la distance entre la surface du béton et l’armature la plus proche (cadres, étriers, épingles, armatures de peau, etc.). Il doit être suffisant pour garantir :
- la bonne protection de l’acier contre la corrosion;
- la bonne transmission des efforts d’adhérence;
- une résistance au feu convenable.
L’enrobage des armatures et les caractéristiques du béton d’enrobage sont les paramètres fondamentaux permettant de maîtriser la pérennité des ouvrages face aux phénomènes de corrosion et donc leur durée d’utilisation. Ainsi, il est possible de placer les armatures hors d’atteinte des agents agressifs en les protégeant par une épaisseur suffisante d’un béton compact, ayant fait l’objet d’une cure appropriée.Dans des conditions normales, les armatures enrobées d’un béton compact et non fissuré sont naturellement protégées des risques de corrosion par un phénomène de passivation qui résulte de la création, à la surface du métal, d’une pellicule protectrice de ferrite Fe2O3CaO (dite de passivation). Cette pellicule est formée par l’action de la chaux libérée par les silicates de calcium sur l’oxyde de fer.
Nota : L’enrobage et la compacité ont un impact immédiat sur la période de propagation qui précède l’initiation et le développement de la corrosion des armatures. À titre d’exemple, il est couramment reconnu que l’augmentation de l’enrobage minimal d’une valeur de 10 mm permet d’augmenter la durée d’utilisation de l’ouvrage pour passer de 50 ans à 100 ans.
Nota : Des précisions complémentaires pour la détermination de l’enrobage pour les structures en béton conçues avec l’Eurocode 2 sont données dans le Guide Technique LCPC « Note Technique sur les dispositions relatives à l’enrobage pour l’application en France ».
La présence de chaux maintient la basicité du milieu entourant les armatures (l’hydratation du ciment produit une solution interstitielle basique de pH élevé de l’ordre de 13). Tant que les armatures se trouvent dans un milieu alcalin présentant un pH compris entre 9 et 13,5, elles sont protégées.
Enrobage minimal et enrobage nominal
C’est l’enrobage nominal qui est précisé sur les plans d’exécution de l’ouvrage. Il constitue la référence pour la fabrication et pour la pose des armatures. L’enrobage nominal est égal à la somme de l’enrobage minimal et d’une « marge de sécurité » pour tolérances d’exécution.
Schéma des armatures à empreintes
Philosophie de l’enrobage selon l’Eurocode 2
Les recommandations de l’Eurocode 2 (norme NF EN 1992-1-1) en matière d’enrobage des bétons de structures sont novatrices. Elles résultent d’un retour d’expérience sur la durabilité des ouvrages construits depuis plusieurs décennies et sur les recherches récentes en matière de protection des armatures vis-à-vis des risques de corrosion. Elles visent, en conformité avec la norme NF EN 206-1, à optimiser de manière pertinente la durabilité des ouvrages. En effet, la détermination de la valeur de l’enrobage doit prendre en compte de façon extrêmement détaillée :
- la classe d’exposition dans laquelle se trouve l’ouvrage (ou la partie d’ouvrage) et qui traduit les conditions environnementales ;
- la durée de service attendue (ou durée d’utilisation du projet) ;
- la classe de résistance du béton;
- le type de système de contrôle qualité mis en oeuvre pour assurer la régularité des performances du béton et la maîtrise du positionnement des armatures ;
- la régularité de la surface contre laquelle le béton est coulé;
- le type d’armatures (précontraintes ou non) et leur nature (acier au carbone, acier inoxydable) et d’éventuelles protections complémentaires contre la corrosion.
- si l’on choisit un béton présentant une classe de résistance à la compression supérieure à la classe de référence (définie pour chaque classe d’exposition);
- s’il existe un système de contrôle de la qualité;
- si l’on utilise des armatures inox.
L’optimisation des performances du béton et de l’enrobage des armatures constitue un facteur de progrès essentiel pour assurer la durabilité des ouvrages.
Enrobage minimal selon l’Eurocode 2
L’enrobage minimal est défini dans la norme NF EN 1992-1-1, section 4 « Durabilité et enrobage des armatures » (article 4.4.1). Il doit satisfaire en particulier aux exigences de transmissions des forces d’adhérences et assurer une protection des aciers contre la corrosion.
Il est donné par la formule :
Avec :
- Cmin,b enrobage minimal vis-à-vis des exigences d’adhérence (béton/armature).
- Cmin,dur enrobage minimal vis-à-vis des conditions environnementales. Cmin,dur tient compte de la classe d’exposition et de la classe structurale (qui dépend de la durée d’utilisation du projet).
- ΔCdur,y marge de sécurité (valeur recommandée 0);
- ΔCdur,st réduction de l’enrobage minimal dans le cas d’utilisation, par exemple, d’acier inoxydable;
- ΔCdur,add réduction de l’enrobage minimal dans le cas de protections complémentaires.
Nota : La valeur de Cmin,b est rarement dimensionnante pour la détermination de Cmin.
Processus de détermination de l’enrobage nominal suivant l’Eurocode 2
Le processus de détermination de l’enrobage des armatures dans chaque partie d’ouvrage comporte les huit étapes suivantes qui vont permettre de prendre successivement en compte :
- la classe d’exposition;
- la classe structurale et les modulations possibles en fonction de choix particuliers ;
- le type d’armatures ;
- des contraintes particulières ;
- les tolérances d’exécution.
=> Étape 1: prise en compte des classes d'exposition
Un béton peut être soumis à plusieurs classes d’exposition concomitantes qui traduisent avec précision l’ensemble des actions environnementales. Les classes d’exposition de chaque partie d’ouvrage sont une donnée de base du projet. Elles sont imposées par les conditions d’environnement du projet. Elles sont définies dans le tableau 4.1 de l’article 4.2 de l’Eurocode 2 (norme NF EN 1992-1-1) en conformité avec la norme NF EN 206-1.
=> Étape 2: Choix de la classe structurale
Durée d’utilisation du projet
L’Annexe Nationale de l’Eurocode 0 (NF EN 1990 – Base de calcul des structures) définit la durée d’utilisation de projet : durée pendant laquelle une structure est censée pouvoir être utilisée en faisant l’objet de la maintenance escomptée mais sans qu’il soit nécessaire d’effectuer des réparations majeures.
Les bâtiments et les ouvrages de génie civil courants sont dimensionnés pour une durée d’utilisation de projet de 50 ans. Les ponts sont dimensionnés pour une durée d’utilisation de projet de 100 ans.
Ces durées supposent la mise en oeuvre de bétons conformes aux tableaux N.A.F. 1 ou N.A.F. 2 de la norme NF EN 206.1. Les documents particuliers du marché peuvent spécifier des durées d’utilisation de projet différentes.
Classe structurale
La classe structurale (S1 à S6) est un paramètre permettant d’optimiser la valeur de l’enrobage. Les modulations possibles de la classe structurale, en fonction de choix particuliers pour le projet (durée d’utilisation de projet, classe de résistance du béton, nature du ciment, compacité du béton d’enrobage), engageant le maître d’oeuvre, sont données dans le tableau 4.3 N (F) à l’article 4.4.1.2 (5) de l’Annexe Nationale de la norme NF EN 1992-1-1. On admet que la classe structurale S4 correspond à une durée d’utilisation de 50 ans.
| Critère | Classe d’exposition | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| XO | XC1 | XC2, XC3 | XC4 | XD1 / XS1 / XA1 | XD2 / XS2 / XA2 | XD3 / XS3 / XA3 | |
| Durée d’utilisation de projet | 100 ans, majoration de 2 | ||||||
| 25 ans et moins minoration de 1 | |||||||
| Classe de résistance du béton | ≥ C 30/37 | ≥ C 30/37 | ≥ C 30/37 | ≥ C 35/45 | ≥ C 40/50 | ≥ C 40/50 | ≥ C 45/55 |
| Minoration de 1 | |||||||
| ≥ C 50/60 | ≥ C 50/60 | ≥ C 55/67 | ≥ C 60/75 | ≥ C 60/75 | ≥ C 60/75 | ≥ C 70/85 | |
| Minoration de 2 | |||||||
| Nature du liant | - | ≥ C 35/45 | ≥ C 35/45 | ≥ C 40/50 | - | - | - |
| - | Béton à base de CEM I sans cendres volantes | - | - | - | |||
| - | Minoration de 1 | - | - | - | |||
| Enrobage compact | Minoration de 1 | ||||||
| Tableau 14: modulation de la classe structurale recommandée | |||||||
Une majoration de 2 consiste, par exemple, à passer de la classe structurale S4 à S6. Une minoration de 1 consiste à passer de la classe structurale S6 à S5.
=> Étape 3: détermination de l'enrobage minimal vis-à-vis de la durabilité Cmin,dur
Les valeurs de Cmin,dur (en mm) requis vis-à-vis de la durabilité sont données en fonction de la classe d’exposition et de la classe structurale dans le tableau 4.4 N pour les armatures de béton armé et dans le tableau 4.5NF pour les armatures de précontrainte à l’article 4.4.1.2 (5) de la norme NF EN 1992-1-1.
Pour les classes d’expositions XF1, XF2, XF3 et XF4. La valeur de Cmin,dur est déterminée en prenant en compte les classes d’expositions concomitantes XC1 à XC4 et XD1 à XD3.
L’Annexe Française de la norme NF EN 1992-1-1 précise comment tenir compte de cette concomitance de classes.
Pour les classes d’exposition XA1 à XA3, la valeur de Cmin,dur est aussi déterminée en prenant en compte les classes d’exposition concomitantes XC ou XD.
=> Étape 4: prise en compte du type d'armature
L’Annexe Nationale de la norme NF EN 1992-1-1 dans l’article 4.4.1.2 (7) précise les cas pour lesquels l’enrobage Cmin,dur peut être réduit, d’une valeur ΔCdur.st ou ΔCdur.add. Ce choix engage le maître d’oeuvre. La valeur est fixée par les documents particuliers du marché.
Utilisation d’armatures en acier résistant à la corrosion: armature inox
« Sur justification spéciale et à condition d’utiliser des aciers dont la résistance à la corrosion est éprouvée (certains aciers inox par exemple), pour la durée d’utilisation et dans les conditions d’exposition du projet, les documents particuliers du marché pourront fixer la valeur de ?Cdur.st. En outre, le choix des matériaux, des paramètres de mise en oeuvre et de maintenance doivent faire l’objet d’une étude particulière. De même, l’utilisation de tels aciers ne peut s’effectuer que si les caractéristiques propres de ces aciers (notamment soudabilité, adhérence, dilatation thermique, compatibilité des aciers de nature différente) sont vérifiées et prises en compte de façon appropriée » extrait de l’article 4.4.1.2 (7).
Mise en place d’une protection complémentaire
En cas de mise en place d’une protection complémentaire, l’enrobage minimal n’est pas diminué, sauf pour les revêtements adhérents justifiés vis-àvis de la pénétration des agents agressifs pendant la durée d’utilisation de projet.
=> Étape 5: prise en compte de contraintes particulières
L’Eurocode 2 et l’Annexe Nationale française prescrivent d’augmenter l’enrobage minimal dans les cas suivants.
Parements irréguliers
Dans le cas de parements irréguliers (béton à granulat apparent par exemple), l’enrobage minimal doit être augmenté d’au moins 5 mm.
Abrasion du béton
Dans le cas de béton soumis à une abrasion, il convient d’augmenter l’enrobage de 5 mm, 10 mm, et 15 mm respectivement pour les classes d’abrasion XM1, XM2, et XM3 (voir l’EN 1990 Eurocode 0 Base de calcul des structures).
Béton coulé au contact de surfaces irrégulières
Dans le cas d’un béton coulé au contact de surfaces irrégulières, il convient généralement de majorer l’enrobage minimal en prenant une marge plus importante pour le calcul. Il convient de choisir une majoration en rapport avec la différence causée par l’irrégularité. L’enrobage minimal doit être au moins égal à k1 mm pour un béton coulé au contact d’un sol ayant reçu une préparation (y compris béton de propreté) et k2 mm pour un béton coulé au contact direct du sol.
Les valeurs recommandées par l’Annexe Nationale française sont : k1 = 30 mm et k2 = 65 mm.
=> Étape 6: détermination de l'enrobage minimal vis-à-vis de l'adhérence Cmin,b
L’enrobage minimal vis-à-vis de l’adhérence Cmin,b est précisé dans le tableau 4.2 article 4.4.1.2 (3) de la norme NF EN 1992-1-1.
Il convient que Cmin,b ne soit pas inférieur :
- au diamètre de la barre dans le cas d’armature individuelle;
- au diamètre équivalent dans le cas de paquet d’armatures.
=> Étape 7: détermination de l'enrobage minimal Cmin
L’enrobage minimal Cmin est déterminé par la formule donnée au paragraphe 2.5.4. en intégrant les valeurs de Cmin,b / Cmin,dur / ΔCur,y / ΔCdur.st et ΔCdur,add.
=> Étape 8: prise en compte des tolérances d'exécution
L’enrobage minimal doit être majoré, pour tenir compte des tolérances pour écart d’exécution (ΔCdev).
La valeur recommandée dans l’article 4.4.1.3 (3) est ΔCdev = 10 mm sauf justification particulière. En particulier cette valeur peut être réduite sous réserve de conditions strictes de contrôle qualité à la fois sur la conception et l’exécution des ouvrages.
L’enrobage nominal est donné par la formule : Cnom = Cmin + ΔCdev.
Si la réalisation ou la conception et l’exécution des éléments d’ouvrage sont soumis à un système d’Assurance Qualité (incluant en particulier des dispositions spécifiques relatives à la conception, au façonnage ou à la mise en place des armatures). Il est possible de réduire la valeur de ΔCdev à une valeur comprise entre 5 et 10 mm.
Cette réduction possible de ΔCdev permet d’inciter à un meilleur contrôle du positionnement réel des armatures et une meilleure qualité de réalisation.
Nota 1
L’Eurocode 2 attire l’attention sur les deux points suivants :
- les problèmes de fissuration du béton auxquels risque de conduire un enrobage nominal supérieur à 50 mm;
- les difficultés de bétonnage auxquelles risque de conduire, un enrobage nominal inférieur à la dimension nominale de plus gros granulats.
Nota 2
L’augmentation de l’enrobage est favorable pour la stabilité au feu. Pour assurer celle-ci, on peut être amené à prévoir des dispositions de ferraillage spécifiques telles que :
- des enrobages supérieurs à ceux imposés par la protection contre la corrosion;
- un fractionnement en plusieurs armatures de faibles diamètres. Certaines d’entre elles seront plus éloignées des parois exposées au feu, en particulier près des angles saillants où la température est plus élevée. L’espacement de ces armatures sera parfois plus important que celui habituellement exigé pour permettre un bétonnage correct.