Modèles de calcul pour l’étayage des bâtiments

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Nous savons que c’est dans la phase de construction d’une structure que se produit une partie des accidents du secteur, et c’est dans cette phase que le contrôle de l’étayage est fondamental.

Il est important de réaliser une étude d’étaiement détaillée pour chaque bâtiment, surtout lorsque les structures commencent à être lourdes (dalles pleines). Afin d’éviter le recours à cette étude, on préfère souvent surdimensionner l’étaiement, sans pour autant garantir un meilleur déroulement de la construction.

Le calcul vous permet d’optimiser le blindage, en économisant des coûts importants en termes de matériel, de production et de temps d’exécution. Il serait donc important pour toute entreprise de pouvoir calculer l’étayage le plus optimisé, en choisissant le modèle de calcul le plus approprié.

Phases de chargement

Le but de ce calcul est de déterminer la charge réelle qui s’exercera sur les étais et les planchers de la structure pendant les différentes phases de construction du bâtiment.

L’étayage est un élément très important du coffrage utilisé pour construire des structures en béton. Le coffrage est un équipement auxiliaire composé d’une peau de coffrage, soutenue par une structure solide de poutres et d’étais. Lors de la construction d’un bâtiment à étages successifs, l’étaiement passe par trois phases de charge successives :

  1. Équipement complet: Il s’agit de la première phase qui concerne l’étayage nécessaire pour pouvoir couler une dalle : le nombre d’étais est maximal et nous appelons donc cette situation de chargement une ” équipement complet “.
  2. Équipement soutenu: Les coffrages actuellement utilisés sont des coffrages récupérables le troisième jour, où après la récupération, il y a une réduction du nombre d’étais restant pour soutenir la dalle (“amincissement”). Dans cette deuxième phase, la situation de charge est différente, car la structure est partiellement chargée et il y a moins d’étais. L’équipe doit évaluer la charge réelle sur la structure. Nous appelons cette deuxième phase de chargement “équipement étayé”.
  3. Équipement en hauteur: il y a une troisième phase de chargement sur une dalle déjà construite, lorsque cette dalle au-dessus va recevoir la charge d’autres dalles qui seront placées au-dessus d’elle. Chaque fois qu’une nouvelle dalle est ajoutée, il y a un transfert de charges des nouvelles dalles aux dalles inférieures par le biais de l’étayage et de la structure que nous avons construite. Ce que nous allons faire dans cette troisième phase de chargement, c’est contrôler la charge la plus défavorable sur ce blindage, quelle que soit la situation du bétonnage par-dessus. En la contrôlant, nous saurons que l’exécution du bâtiment verticale du bâtiment n’aura aucun problème. Nous appelons cette troisième phase de chargement “équipement en hauteur”.

La distribution de la charge qui se produit entre les étais et les dalles peut avoir différents modèles de calcul. En fait, au cours de l’histoire, huit modèles théoriques et neuf modèles expérimentaux ont été produits et développés. On va voir les plus importants.

Années 60 : le modèle de Grundy et Kabaila

Le modèle de calcul théorique le plus établi et le plus connu remonte à 1963. Il s’agit de la méthode de Grundy et Kabaila. La principale hypothèse de calcul de ce modèle est que les jambes de force sont infiniment rigides.

Cette hypothèse a du sens car nous parlons de l’année 63 aux États-Unis, lorsque les étais étaient en bois et cloués, acquérant ainsi une rigidité importante, loin des étais en métal utilisés aujourd’hui, lesquels agissent comme des “ressorts”. D’autre part, les structures étaient plus fines et moins rigides que les structures construites aujourd’hui.

Par conséquent, ce modèle de calcul, très opérationnel et facile à appliquer, ne représente pas la situation réelle des équipements et des structures qui sont effectivement mis en œuvre.

Années 90 : changement de modèles

A partir de 1990, d’autres modèles apparaissent (EFM, Duan et Chen, Fang…) où l’hypothèse varie, dans le sens de considérer que les étais ont une rigidité finie, et d’autre part, une compatibilité des déformations entre dalles et étais.

A partir de ces hypothèses, une formulation est développée sur la base de la relation entre la rigidité de la dalle et la rigidité de la jambe de force. Bien sûr, cela rapproche les modèles de calcul de la réalité, mais pas encore de manière suffisamment significative.

En parallèle, des modèles expérimentaux sont développés. En 1992, Moragues, de l’université polytechnique de Valence, a effectué une mesure réelle dans deux bâtiments d’Alicante avec des coffrages récupérables et a constaté que les charges réellement produites n’avaient pas grand-chose à voir avec les charges théoriques supposées. Par conséquent, ce qui a été déterminé dans ces premiers essais, c’est qu’il fallait réaliser une étude plus approfondie pour savoir réellement quelle était la charge distribuée dans toute la structure.

Année 2005 : Nouveau modèle de calcul

En tant qu’évolution des modèles précédents et dans le prolongement des recherches initiées par Moragues, l’Université de Valence (UPV) et son institut ICITECH ont lancé en 2005 un projet de recherche, en collaboration avec l’entreprise Encofrados Alsina, qui durera plusieurs années et passera par différentes phases.

Dans la première phase, un bâtiment réel est construit de manière expérimentale, avec sa structure entièrement contrôlée, et la thèse de doctorat de Yezid A. Alvarado Vargas est développée.

Le bâtiment à construire est un bâtiment en dalles pleines de 25 cm, composé d’une travée avec deux porte-à-faux latéraux, avec des étais entièrement instrumentés, et avec un processus d’exécution qui concerne les différentes phases réelles de construction de la structure, avec un coffrage récupérable.

D’abord le bétonnage d’une première dalle, l’amincissement, puis le bétonnage d’une deuxième dalle au-dessus, l’amincissement, et lorsque la troisième dalle a été bétonnée, l’étaiement de la première dalle a été libéré du sol, l’isolant de l’effet sur la fondation, qui est infiniment rigide. Enfin, nous avons simulé l’exécution d’une pièce forgée avec des bassins d’eau a été simulée, en reproduisant une construction standard avec 3 jeux de faux planchers.

Le béton a fait l’objet d’une surveillance et d’essais intensifs dans le bâtiment de laboratoire adjacent au chantier.

Des jauges de contrainte ont été introduites pour mesurer les déformations, ainsi que des sondes pour mesurer les températures ambiantes et des sondes pour mesurer les températures internes du béton. De cette manière, le type de béton et ses caractéristiques ont été parfaitement caractérisés.

Il convient de noter que chacun des hélices était équipé de trois jauges réglées à 120 degrés, protégées par des coquilles d’Armaflex, afin de contrôler la charge produite par l’ensemble de l’hélice.

Pour l’acquisition et le stockage des données, 40 modules d’acquisition de données et plus de 3700 mètres de câble avec 17000 mesures ont été utilisés. En fait, les mesures étaient continues, et dans chacune des phases de travail de bétonnage, d’amincissement ou de décollement, les mesures étaient prises toutes les cinq secondes, et lorsqu’il n’y avait pas d’opération de construction, les mesures étaient prises toutes les cinq minutes.

À la fin de l’expérience, 4 500 000 enregistrements de charge ont été obtenus, ce qui a permis de contrôler très précisément l’ensemble du processus de construction, bien au-delà de toute expérimentation antérieure.

Le modèle NPS

Parallèlement à l’étude expérimentale et en accord avec elle, la nouvelle méthode de calcul NPS est développée, dont l’hypothèse de calcul principale est que les étais ont une rigidité finie. Outre sa validation expérimentale, la méthode est validée à partir de modèles numériques 3D par éléments finis, à l’aide du programme Ansys.

Afin de valider davantage la méthode, une deuxième thèse de doctorat, réalisée par Isabel Gasch Molina, a été élaborée en 2008 pour vérifier si les mesures sur site pouvaient ou non correspondre aux résultats du modèle.

Trois ouvrages différents ont été mesurés avec les trois types de dalles bidirectionnelles applicables : dalle pleine, cassette perdue, cassette récupérable, et les résultats ont été comparés avec différents modèles de calcul. La nouvelle méthode de calcul s’est avérée être la plus précise de toutes, avec une coïncidence dans les charges de 90-95% et un écart-type entre 0,14 et 0,16.

La preuve que ce modèle de calcul représente une nouvelle contribution scientifique est fournie par sa publication dans la revue Engineering Structures, (Vol 33, 2011- Pages 1565 à 1575).

Une nouvelle reconnaissance et validation a été obtenue en 2014, avec son inclusion dans le guide d’application de l’EHE-08.

Conclusions

En somme, à partir de ce qui précède, nous pouvons conclure que la méthode NPS est celle qui se rapproche le plus de la réalité, étant celle qui présente le plus haut niveau de validation numérique et expérimentale parmi tous les modèles de calcul.

Pourquoi est-il important ? Parce qu’avec l’application de ce modèle (grâce à l’utilisation du logiciel STC), les entreprises pourront optimiser les équipements d’étayage et les délais d’exécution, avec une exécution en sécurité de la structure. Cela permettra de minimiser les coûts et les pertes de productivité pendant la construction. Les facteurs concurrentiels qui sont essentiels aujourd’hui.

Architecte du département technique d'Alsina, fait partie du Groupe depuis 29 ans. Son parcours professionnel inclut également 17 années d'expérience dans la réalisation de divers projets et travaux dans différents bureaux d'architecture et d'ingénierie.
Jordi García Leache
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