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, …) Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 1/8 Bases de Génie Civil 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 Contraintes sur une poutre reposant sur deux appuis 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 Contrainte phase plastique. 2 en N/m 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. Rupture Phase plastique (la déformation est permanente) Phase élastique Déformation en mm Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 2/8 Bases de Génie Civil 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 Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 3/8 Bases de Génie Civil 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 béton coulé coffrage Ferraillage d’une dalle en béton armé Efforts sur la poutre compression traction poutre reposant sur 2 appuis 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 : Tension des câbles de la partie inférieure : elle est soumise à la compression La charge augmente, mais la partie inférieure subit toujours une compression ! Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 4/8 Bases de Génie Civil 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). Verrière du Grand-Palais, 1900 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. profils en I IPE profil en H profil en U HEA UPN IPN 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 : Treillis de portique Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 5/8 Bases de Génie Civil 6. CONSTRUCTION D’OUVRAGES : ETAPES, VOCABULAIRE… 6.1. Les étapes d’une construction Dans l’ordonnancement d’un projet de construction, les deux grandes étapes sont : - le gros-œuvre - le second œuvre 6.2. Le gros-œuvre Le gros-œuvre représente les parties du projet qui permettent de mettre hors d’eau le bâtiment (donc couvert) ; exemple ci-dessous pour une construction à étages : Toitures en terrasses - les fondations, - le dallage, - la structure, - la toiture, - la couverture. Vidéo construction d’une tour en 15 j. Pieux de fondation Structure métallique Dallage et cloisons intérieures Cloisons extérieures Toiture et finitions La structure porteuse assure la stabilité du bâtiment : fondations, poteaux, poutres, murs porteurs (murs de refend, murs de façade), dalles et planchers… La charpente et la couverture terminent le gros-œuvre : Structure porteuse d’une maison Charpente classique 6.3. Le second oeuvre Il consiste à habiller et à rendre fonctionnel le bâtiment ; ce sont l’ensemble des « finitions » : - menuiseries - ouvertures (portes, fenêtres…) - plomberie, sanitaires - peintures, revêtements sols - électricité - chauffage - enduits extérieurs, plâtres intérieurs... - carrelages,…etc. Vidéo construction d’une maison Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 6/8 Bases de Génie Civil 7. CONSTRUCTION D’OUVRAGES : PONTS ET VIADUCS… 7.1. Eléments de base Les piles d'un pont sont les différents appuis intermédiaires supportant le tablier de l’ouvrage. Une travée est une portion de pont reliant deux piles (travées de forme rectiligne ou en arche). Les culées sont les parties situées sur les rives destinées à supporter le poids du tablier. 7.2. Transmission des efforts Fondamentalement, il y a trois types d’éléments intervenant dans la structure des ponts existants : ceux qui transfèrent les forces axialement, ceux qui le font par flexion ou par courbure. Une poutrelle dans un treillis est un élément transférant axialement les efforts, une poutre porteuse est un élément de flexion et les arcs ou les câbles des ponts suspendus sont des éléments de courbure. Chaque structure est une combinaison de ces trois types d'éléments. Selon la nature des efforts transmis aux culées (en rouge), on peut classer les ponts en trois catégories : ponts à poutres : ponts en arc : compression verticale sur les culées compression oblique sur les culées ponts suspendus ou à haubans : traction sur les culées 7.3. Cinq familles En y ajoutant le type d’effort dans l'élément porteur du pont (en bleu), on distingue cinq familles de ponts : Ponts à voûtes Pont en arc Pont à poutres Pont suspendu Pont à haubans 7.4. Vocabulaire Eléments d’un pont à poutres Eléments d’un pont suspendu Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 7/8 Bases de Génie Civil 8. QUELQUES REALISATIONS MARQUANTES, URBANISME, FUTUR… Nouveau refuge du Goûter (3835m) Position basse Pont relevé (55 m) Nouveau pont levant de Bordeaux (travée levante de 117m) Quelles perspectives pour les villes du futur ? …ou la "ville écologique" de Dongtan (projet chinois) ? Sao Paulo de nos jours… Vue depuis Burj Khalifa Le « nid d’oiseau » (stade de Pékin) Projet Bionic Tower (Shangaï) 1228m Bases_Génie_civil_professeur.docx Page 8/8
