Bases de Génie Civil

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Lycée Charles Poncet – Tale 1ère STI2D – spécialité ITEC
Bases de Génie Civil
1. INTRODUCTION
Le génie civil regroupe la construction de ponts, de barrages, de
systèmes hydrauliques urbains (égouts et approvisionnement en eau
potable), routes, gestion de l'environnement (traitement des eaux
usées, gestion des déchets) et l'arpentage (mesurage des terrains).
Le génie civil est un domaine spécialisé et très vaste. Il s'agit du
domaine de l’urbanisme dont la fonction est de construire et, d’une
manière plus générale, de mettre en œuvre les décisions
d’aménagement du territoire.
On observe deux grands domaines au sein du génie civil :
- le bâtiment
- les travaux publics
Dans les deux domaines, quelle que soit sa spécialisation, le travail d'un ingénieur
civil repose sur deux concepts clés : l'évaluation des charges et la résistance des
matériaux. En fait, l'objectif premier est de combiner un ensemble de matériaux
afin de résister à des charges pour accomplir une fonction principale.
2. BATIMENT ET TRAVAUX PUBLICS
2.1. Le bâtiment :
Dans le secteur du bâtiment, les investisseurs proviennent principalement
du privé et leurs besoins correspondent souvent à une finalité économique.
La structure de l'ouvrage est généralement peu prépondérante, car on y
privilégie plutôt la fonctionnalité et l'esthétisme. Les bâtiments incluent :
- habitations, immeubles, hôtels
- bureaux, bâtiments administratifs, écoles, gymnases
- magasins, centres commerciaux
- usines… etc
2.2. Les travaux publics :
Les travaux publics sont des ouvrages qui répondent aux besoins du public. La
pérennité de l’ouvrage est un facteur essentiel dans ce cas. Les travaux publics
incluent :
- ouvrages de franchissement (ponts, tunnels, …)
- réseaux ferrés et routier, réseau navigable (canaux), ports…
- équipements collectifs (épuration, traitement de déchets, …)
- centrales d’énergie (charbon, nucléaire, géothermie, éolien, hydraulique, …)
- infrastructures (réseau électrique, télécommunications, assainissement, eau potable, ...)
- ouvrages de protection (digues, renforcements de talus, paravalanches, protection de rives, …)

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3. CONCEPTION DES OUVRAGES
Afin de dimensionner un ouvrage, il faut évaluer les charges qu'il devra
supporter. Les charges sont des forces, des déformations ou des accélérations
qui s'appliquent sur la structure ou ses composantes. Elles occasionnent des
contraintes, des déformations ou des déplacements sur les structures.
3.1. Types de charges
Les charges se divisent en deux catégories :
Les charges mortes et les charges vives
Les charges mortes sont celles qui sont toujours présentes sur l'ouvrage et, bien souvent, correspondent au
poids propre de l'ouvrage. Le poids de la structure d’une maison qui s'applique sur ses fondations est une
charge morte. Autre exemple, un pont suspendu est un ensemble de charges mortes composées de poutres
d’acier, de câbles et d’asphalte qui supporte son poids propre. Pour un bâtiment, les charges mortes incluent
le poids du béton, des revêtements de sol, de la toiture, des balcons et tout autres éléments fixes. Les étages
supérieurs sont une charge morte pour un étage inférieur.
Les charges vives sont celles qui sont
appliquées temporairement et qui peuvent se
déplacer ou changer d'intensité. Dans
l'exemple du pont suspendu, les charges vives
sont composées du poids des voitures et des
camions. D’une manière générale, on
considère que l’ouvrage est exposé très
régulièrement à ce genre de charges et qu’il doit y résister en permanence.
Comme charges vives, il y a également les charges climatiques, par exemple
la force du vent, le poids de la neige, de l’eau et les températures extrêmes.
Pour un pont, le vent peut représenter des efforts importants. Pour un barrage,
on prend aussi en compte le poids de l'eau qui s'accumule après un orage.
3.2. La réponse des matériaux aux efforts
Pour un matériau, il y a deux grandes étapes physiques en
réponse à un effort : la phase élastique et la phase plastique.
On peut ajouter à cela la rupture qui est le point ultime de la
phase plastique.
 La phase élastique correspond aux efforts sous
lesquels le matériau revient dans sa forme
géométrique initiale lorsque l’effort est relâché. On
peut visualiser cela en étirant un élastique et en le
relâchant : il reprend alors sa forme initiale.
 La phase plastique correspond aux efforts au-delà
desquels le matériau ne revient plus dans sa forme
géométrique initiale, c'est-à-dire qu'il est déformé de
manière permanente. Si l’on continue à augmenter
l’effort, le matériau atteindra son point de rupture.
Contrainte
en N/m2
Déformation
en mm
Phase
élastique
Phase
plastique
(la déformation est permanente)
Rupture
Contraintes sur une poutre
reposant sur deux appuis

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 Le point de rupture est une propriété qui varie selon les matériaux. Par exemple, pliées au
maximum, une tige en bois ou en verre se casse, alors qu’une tige en fer ou en caoutchouc demeure
déformée sans se rompre : cette propriété est nommée la ductilité. Un matériau peu ductile est dit
fragile.
Dans le monde la construction, il faut adapter les matériaux en fonction des besoins d’élasticité, de plasticité
et de ductilité. De manière générale, on limite les efforts soumis à un matériau en fonction de l'utilisation
normale de l'ouvrage pour qu'il demeure en zone élastique.
3.3. Contraintes
Les forces internes qui se créent à l'intérieur d'un matériau par l'application de forces externes sont appelées
contraintes. Quantitativement, les contraintes sont représentées par la force moyenne qui s’applique sur une
unité de surface à l'intérieur du matériau. On admet qu’un matériau homogène agit comme un milieu
continu, donc les forces sont distribuées de manière uniforme sur l'ensemble de son volume.
Les contraintes sont des pressions et ont donc pour unité le Pascal (Pa).
Rappel : un Pascal est équivalent à un Newton (force) par mètre carré (N/m2).
Exemple, contrainte de cisaillement à l'intérieur d'une poutre.
Bien que la distribution de cette contrainte à l'intérieur de la poutre ne
soit pas uniforme, une contrainte moyenne ( ) est admise :
3.4. Limites
Les limites correspondent aux points extrêmes des ouvrages. Au-delà de sa limite, un ouvrage ne remplit
plus un ou plusieurs critères de conception importants. Il y a trois types de limites principalement utilisés
lors de la conception d'ouvrage : la limite d'utilisation, la limite d'utilisation de service et la limite ultime.
 La limite d'utilisation est la charge à partir de laquelle l'ouvrage ne sera plus en mesure de répondre
à ses fonctions sans se déformer, comme une route qui se soulève à cause du gel, rendant la conduite
impossible. En général, la limite d'utilisation coïncide avec la limite élastique du matériau après
laquelle le matériau se plastifiera.
 La limite d'utilisation de service correspond à la limite à laquelle l'ouvrage cesse de remplir ses
fonctions pour des raisons autres que la déformation plastique. Par exemple, si un pont se déplace
trop sous l'effet du vent et que le public cesse de l'utiliser bien qu'il demeure suffisamment résistant
pour le service, il a atteint sa limite d'utilisation de service
 La limite ultime est celle à laquelle le matériau cède et donc à laquelle l'ouvrage cède entraînant ou
non l'effondrement de la structure. Par exemple, un ou des câbles d'un pont suspendu qui cassent. En
pratique, on applique généralement un facteur de sécurité, de 1,5 à la charge limite calculée pour
déterminer la limite ultime utilisée pour la conception.
Vidéo Pont de Tacoma 1940

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4. OUVRAGES EN BETON
L’invention du ciment artificiel par le français Louis Vicat a permis l’utilisation massive
d’un matériau solide et très facile à utiliser : le béton. Il est obtenu en fait par un mélange de
ciment, d’eau, de sable et de gravier.
Le béton est employé sous plusieurs formes :
 brute : parpaings, mortiers, béton coulé.
 béton armé : des armatures (barres d’acier) contribuent à le rendre plus résistant.
 béton précontraint : des câbles d’acier tendus lui confèrent une résistance optimale.
Le béton endure de fortes contraintes, mais est plutôt fragile… l’acier, lui, est plutôt ductile.
Le béton armé associe donc les qualités des deux :
Ferraillage d’une dalle en béton armé
Le béton a une résistance bien meilleure en compression qu’en traction : en traction la rupture est obtenue
avec un effort 8 à 15 fois plus faible que celui supporté en compression. C’est la raison pour laquelle
l’utilisation de béton précontraint (soumis à une compression préalable) améliore sa résistance :
béton coulé
béton
ferraillage
béton
coffrage
Efforts sur la poutre
compression
poutre reposant sur 2 appuis
La charge augmente, mais la partie
inférieure subit toujours une compression !
Tension des câbles de la partie inférieure :
elle est soumise à la compression
traction

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5. OUVRAGES METALLIQUES
La plupart des bâtiments industriels (usines, ateliers, entrepôts...)
et certains bâtiments du tertiaire (halles, hypermarchés, gymnases, salles
polyvalentes...) ont une structure à ossature métallique. Ce type de
structure permet de fermer des surfaces importantes en réduisant la
présence de porteurs verticaux (poteaux et murs).
L'ossature d’un bâtiment métallique est réalisée par un assemblage de poutres métalliques qui sont soit des
profilés marchands, soit des profilés reconstitués soudés PRS. Ces produits sidérurgiques sont
généralement obtenues par laminage à chaud ou à froid d'aciers doux (pour les structures porteuses) pour que
leur rupture éventuelle se fasse après une importante déformation et non brutalement.
Les portiques sont renforcés par des structures triangulées (formant des triangles) également appelées
structures réticulées ou treillis ; Repassez ci-dessous un portique en rouge et ses contreventements en vert :
profils en I profil en H profil en U
IPE IPN HEA UPN
Verrière du Grand-Palais, 1900
Treillis de
portique