construction
(latin constructio, -onis)
Ensemble des techniques qui permettent de bâtir ; secteur d'activité dont l'objet est de bâtir.
La construction d'un bâtiment, quelle que soit la destination de celui-ci, s'organise autour de différentes fonctions : liaison du bâtiment au sol (poser), élévation des éléments verticaux par lesquels les charges sont transmises au terrain (porter), mise en place des éléments horizontaux qui définissent les zones utiles (franchir), etc. Poser, porter et franchir sont ce que l'on appelle le « gros œuvre ». Indissociables en termes de structure, ces fonctions donnent forme à la « peau » du bâtiment et constituent un système. Pour y parvenir, différents types de matériaux et de techniques ont été associés au cours des siècles.
Les matériaux de construction
Introduction
La gamme des matériaux utilisés en construction est à la fois étendue et variée. Elle peut être divisée en deux grandes catégories : celle des matériaux traditionnels servant à la réalisation des éléments porteurs et celle des matériaux dérivés qui sont destinés au second œuvre.
Dans la première catégorie rentrent des matériaux résistants, d'un coût peu élevé, relativement faciles à mettre en œuvre et pouvant être élaborés sous forme d'éléments de grandes dimensions. En font partie le bois, la terre, la pierre, les produits de terre cuite, les liants hydrauliques, le béton et les aciers.
La seconde catégorie de matériaux est plus variée et son emploi est de plus en plus diversifié. Son coût, plus élevé, est compensé par ses nombreuses qualités et la rapidité de mise en place. Si elle comprend des matériaux dérivés du bois, elle utilise aussi des métaux (tels que le cuivre, le bronze, le laiton, le zinc et le plomb), le cuir, les élastomères, les produits textiles, le bitume et le goudron ainsi que les produits céramiques et verriers.
Aujourd'hui, le développement de la recherche dans tous les secteurs de l'industrie et l'amélioration des techniques de fabrication permettent de reculer les limites d'emploi des matériaux et de réaliser de nouvelles formes.
La terre
La terre crue (par opposition à la terre cuite) est un matériau de construction utilisé depuis au moins 10 000 ans, et qui a servi à bâtir les premières grandes villes connues.
Les terres employées comportent toutes de l'argile, pour sa cohésion. Mais, selon le degré hygrométrique, l'argile gonfle ou subit un retrait. Pour limiter ces variations, elle est mélangée à du sable, du gravier ou de la paille. Par ailleurs, afin d'éviter qu'elle ne se gorge d'eau et ne se liquéfie, on lui adjoint des matériaux stabilisants, comme la cendre de bois, l'asphalte, la chaux ou le ciment.
Mais la terre crue séchée reste un matériau plastique peu résistant et craignant la pluie. Ces caractéristiques conduisent à une architecture peu ouverte, où les parties exposées sont recouvertes d'un enduit dur à la chaux. Un toit bien débordant et un socle en brique ou en pierre viennent compléter le tout.
Divers procédés de mise en œuvre existent, parmi lesquels on peut citer :
– la confection de briques de terre, à partir d'un malaxage de terre, d'eau et de foin ou de paille hachés jusqu'à obtention d'un mélange homogène, placé ensuite dans des moules ; après démoulage et séchage, les briques sont appareillées au mortier d'adobe ou au ciment Portland ;
– le bousillage (ou modelage), qui consiste à entasser des boules de terre humide, sur une hauteur de 30 à 40 cm, à lisser puis à laisser sécher avant de recommencer jusqu'à obtention de la forme désirée ;
– le garnissage sur clayonnage, qui consiste à remplir de « béton de terre » les vides laissés par la construction d'une ossature en bois ;
– le pilonnage, qui s'effectue avec des dames lissant la terre entre des coffrage, ou banches, déplacés au fur et à mesure que se monte le mur. Les banches traditionnelles sont en bois ; elles sont remplacées par des banches métalliques lorsqu'on utilise un compactage pneumatique.
Le bois
Le bois a été, avec la terre et la pierre, un des premiers matériaux employés à l'édification d'abris ou de huttes. Aujourd’hui, un tiers de l'humanité utilise encore pour construire son habitat des matières ligneuses, qu'il s'agisse de bois brut ou de ses dérivés comme le lamellé-collé, le contreplaqué ou l'aggloméré.
Le bois, sous forme de poutre, est l’un des éléments constitutif de la construction (poutre de soutien, charpente, etc.).
La pierre et la maçonnerie
Les matériaux de base peuvent être divisés en trois catégories : les minéraux naturels extraits du sol ou du sous-sol ; les matériaux artificiels obtenus par moulage, séchage et cuisson de produits minéraux mis en pâte ; les liants hydrauliques obtenus par cuisson de minéraux.
Comme matériaux de base, on trouve :
– les pierres, qui sont généralement classées en quatre familles : les pierres calcaires, les roches marbrières, les granites et les grès. Elles sont utilisées sous forme de pierres de taille, moellons, pavés, dallages, revêtements, etc. ;
– les granulats ou agrégats, qui, mélangés avec des liants hydrauliques et de l'eau, servent principalement à la confection des mortiers et des bétons ;
– les matériaux de terre cuite, qui sont des matériaux artificiels fabriqués à partir d'un mélange d'argile et d'éléments inertes : sable, cendres volantes, laitiers ; en font partie les briques pleines, perforées ou creuses, les tuiles, les hourdis, les produits réfractaires.
Parmi les liants hydrauliques les plus utilisés, on distingue :
– la chaux hydraulique, mélange de calcaire et de 10 à 20 % d'argile, cuit au four, éteint à l'eau puis déshydraté et pulvérisé, entrant dans la composition de certains mortiers ;
– le ciment, résultant d'un mélange de calcaire et de plus de 20 % d'argile cuit au four et pulvérisé ; des matières inertes (cendres volantes, pouzzolane, clinker et laitier) peuvent y être ajoutées selon les propriétés recherchées pour le mélange ; on obtient ainsi une grande variété de ciments à la composition normalisée dont les caractéristiques (résistance, adhérence, porosité, etc.) sont parfaitement connues ; les ciments les plus couramment utilisés sont le ciment Portland (CPA), le ciment au laitier et au clinker (CLK) ou des ciments métallurgiques (CMM) ;
– le plâtre, obtenu à partir de la déshydratation partielle du gypse à la chaleur ; il se présente sous forme de poudre blanche qui, additionnée d'eau, forme une pâte lisse utilisée comme enduit sur les murs intérieurs et les plafonds.
Le béton
Le béton est un matériau qui résulte du mélange intime de ciment, d'eau et de granulats, et dont les caractéristiques mécaniques augmentent avec le durcissement.
Le rôle des différents constituants peut se définir ainsi :
– le ciment est l'élément actif du mélange ; il forme avec l'eau au moment du malaxage une pâte qui enrobe les granulats et donne au béton sa plasticité ;
– l'eau joue un rôle prépondérant sur la résistance finale du béton ; c'est pourquoi ses caractéristiques physiques et chimiques font l'objet d'une norme qui définit en particulier les quantités admissibles de matières en suspension et de sels dissous ;
– les granulats donnent au béton sa densité ; ils se présentent toujours sous forme d'éléments fins en faible quantité, de sables, de gravillons ou graviers, de cailloux ; on en distingue trois types : les granulats courants, intervenant dans la constitution des bétons ordinaires, sont des produits naturels, propres, roulés ou concassés (tels que le silex, le calcaire dur, le grès ou le granite) ; les granulats légers, intervenant dans la constitution des bétons légers, sont fabriqués à partir de matières minérales de type ponce, argiles et schistes expansés, mâchefer, cendres volantes, laitier ; les granulats lourds, intervenant dans la constitution de bétons de protection contre les rayonnements ionisants et dans lesquels entrent des métaux absorbeurs de particules (tels que grenaille de fer, scories de plomb, etc.).
La fabrication du béton commence par l'introduction d'une partie des gros granulats et de l'eau dans la cuve où ces premiers constituants sont inchangés. Le ciment, le reste de l'eau et le sable sont ensuite ajoutés, et en dernier le restant des gros granulats. Tous les constituants ayant été ainsi mis ensemble, le mélange est malaxé afin de le rendre homogène et de donner en tout point la même composition au béton.
Quel que soit le type de véhicule utilisé pour transporter le béton sur le chantier (brouette, chariot à benne basculante, benne à fond ouvrant déplacée par grue, etc.), il est impératif d'assurer la cohésion entre le mortier et les granulats afin de conserver son homogénéité. Le béton est ensuite coulé dans les coffrages, mis en œuvre par vibration, ce qui permet sa liquéfaction et le remplissage facile. Il faut ensuite à tout prix éviter sa dessiccation jusqu'au début de son durcissement.
Les aciers
L'utilisation de métaux dans la construction est déjà ancienne. Parmi eux, l'acier est aujourd’hui le plus couramment utilisé. En effet, sa résistance élevée tant en traction qu'en compression lui permet de supporter les charges les plus lourdes et de couvrir des portées très importantes avec des sections réduites.
Les aciers sont des alliages ferreux aptes au façonnage à chaud. Leur teneur en carbone est généralement inférieure ou égale à 2 %. Ils proviennent de la fonte des hauts-fourneaux. Leur décarburation, ou affinage (opération qui consiste à brûler l'excédent de carbone), est obtenue par des procédés différents faisant intervenir l'oxygène de l'air ou l'oxygène pur.
La très grande variété des pièces et des sollicitations auxquelles elles sont soumises a conduit à l'élaboration d'un grand nombre d'aciers de construction. La plupart d'entre eux sont de simples aciers au carbone mais, dès qu'il s'agit de pièces sollicitées, ils sont fréquemment alliés à des éléments comme le chrome, le nickel ou le molybdène. La proportion de ces constituants est variable et dépend des caractéristiques mécaniques recherchées. Celles-ci distinguent différentes variétés d'aciers et servent de base aux calculs de résistance des futures structures métalliques. Elles sont déterminées en laboratoire dans des conditions standards par des essais de traction et de choc. La limite élastique, la charge de rupture, l'allongement, la résistance au choc ou résilience, la dilatation, le degré de soudabilité sont autant de critères qui définissent, pour chaque acier, sa nuance et sa qualité.
Les aciers ont deux grands domaines d'utilisation dans le bâtiment et les travaux publics. Ils peuvent être utilisés seuls en tant que matériau : c'est la construction métallique. Ils peuvent être associés au béton : c'est le domaine du béton armé ou du béton précontraint.
Les produits céramiques et verriers
L’industrie du bâtiment utilise de plus en plus les produits céramiques et verriers sous forme de verres à vitre, de glaces et dalles, de verres coulés armés ou non, et de laine de verre en tant qu'isolant thermique et acoustique. L'industrie du verre a bénéficié d'évolutions technologiques importantes ayant permis de mettre au point le procédé de trempe thermique donnant au verre ainsi traité une résistance à la flexion et aux chocs quatre à cinq fois supérieure à celle d'un verre normal.
Les techniques de construction
Introduction
Les techniques de construction varient en fonction du matériau employé et du type même de la construction. Elles sont donc d'une grande diversité. Elles ont, par ailleurs, évolué au cours des siècles en fonction des connaissances acquises par les hommes. Elles prennent un nouvel essor à partir du xixe s. avec l'évolution des transports, le développement de l'industrie et les découvertes techniques et scientifiques, qui se multiplient et apportent des perfectionnements dans tous les domaines. L'emploi de charpentes métalliques, puis du béton armé, enfin du béton précontraint et leur standardisation ont permis des réalisations gigantesques dans des délais toujours plus courts : immeubles de grande hauteur, usines, ouvrages d'art, structures spatiales, etc.
L'art de construire se transforme régulièrement grâce aux progrès des matériels et des procédés d'exécution, des moyens de calcul (notamment dus à l'introduction de la conception et du dessin assistés par ordinateur – C.A.O.-D.A.O.), des méthodes d'investigation et de contrôle de la qualité des matériaux. Ici seront présentées les techniques spécifiques les plus couramment employées dans la construction et uniquement celles qui sont mises en jeu pour le gros œuvre. Pour leur part, les techniques de second œuvre recouvrent des spécialités aussi différentes que la menuiserie, la serrurerie, la vitrerie, la plomberie, le chauffage, la peinture, etc. Des techniques particulières sont mises en œuvre pour certains types d'ouvrages de travaux publics tels que les ponts, les tunnels, les barrages ou les routes.
La construction des fondations
Construire, c'est, en général, imposer au niveau du sol des modifications non négligeables : apport de charges, terrassements en sous-sol. Afin de pouvoir réaliser les futurs ouvrages en toute sécurité et de leur assurer une certaine pérennité, il convient de les asseoir sur des fondations superficielles (semelles) ou profondes. Les méthodes sont choisies en fonction de l'ouvrage à construire et des caractéristiques du terrain sous-jacent, déterminées au préalable par une campagne de reconnaissance de sol comportant sondages, essais de laboratoire, essais de perméabilité.
Les pieux et appuis sont utilisés quand les terrains de surface sont de mauvaise qualité, car ils permettent de reporter les charges de la future structure au niveau des couches géologiques portantes. Ils sont de différentes natures :
– les pieux battus : profilés (type H) ou tubes métalliques enfoncés dans le sol à l'aide de moutons de battage ;
– les pieux et appuis forés en béton armé ; le forage du sol s'effectue généralement sous boue bentonitique, substance colloïdale tenant verticales les parois des futurs appuis ; une fois le forage réalisé, les armatures sont mises en place et le béton est coulé au tube plongeur, la boue étant retirée au fur et à mesure ;
– les pieux aiguilles, pieux racines ou micropieux sont des pieux de petit diamètre compris entre 100 et 200 mm, réalisés avec des outillages de dimension réduite.
Les parois moulées sont des murs verticaux en béton armé construits dans le sol à partir de la surface. Ils sont forés par éléments sous boue bentonitique puis bétonnés au tube plongeur après mise en place des armatures. Les parois peuvent assurer la portance du futur ouvrage. Dans ce cas, elles travaillent comme des appuis, le soutènement des terres (fonction essentielle) et l'étanchéité de la fouille permettant ainsi l'excavation du sol en toute sécurité et à l'abri des infiltrations d'eau. En général, au fur et à mesure que progresse l'excavation, des étais ou des tirants d'ancrage précontraints sont mis en place afin d'assurer la stabilité des parois.
Les injections, la congélation, la consolidation dynamique ou la réalisation d'un drainage permettent d'améliorer la portance du sol. Concernant la réduction des venues d'eau, les ingénieurs ont recours aux parois d'étanchéité au coulis de ciment, aux rabattements par pompage dans des puits ou aux pointes filtrantes, ou encore aux étanchements par injection.
La construction en béton armé
Le béton armé, breveté en 1877 par Joseph Monier et développé par François Hennebique, intervient dans la construction de la plupart des ouvrages : fondations, immeubles, réservoirs, silos, tours, ponts, barrages en voûte mince, toitures en forme de coques, composants de structures préfabriqués (prédalles, éléments de façade, poutres, escaliers, etc.).
Dans les pièces en béton armé, la résistance aux efforts de compression est demandée au béton alors que l'acier assure la résistance aux efforts de traction. Le principe du béton armé consiste donc à renforcer les régions tendues par des armatures en barres d'acier, ou armatures longitudinales, entourées d'armatures transversales (cadres, étriers, épingles) résistant à l'effort tranchant. La transmission des efforts du béton à l'acier et de l'acier au béton est possible grâce à l'adhérence qui existe entre les deux matériaux.
La réalisation d'un élément d'ouvrage en béton armé comporte les opérations suivantes : exécution d'un coffrage (moule) en bois ou en métal, mise en place des armatures dans le coffrage, coulage du béton dans le coffrage, décoffrage (ou démoulage) après durcissement suffisant du béton. Dans la mise en œuvre traditionnelle, ces différentes opérations sont effectuées in situ, c'est-à-dire à l'emplacement même occupé par l'élément dans l'ouvrage à construire. Dans les techniques de préfabrication, ces quatre opérations sont réalisées soit en atelier, soit sur le chantier sur une aire réservée à cet usage. Elles sont alors suivies d'opérations de manutention (levage, transport), de transport à l'emplacement définitif et d'assemblage des éléments préfabriqués.
Éléments essentiels, les coffrages sont des assemblages rigides, démontables et réutilisables, qui maintiennent le béton jusqu'à sa prise complète. Ils permettent d'obtenir un béton de qualité. Ils sont composés d'une « peau » coffrante (dont la qualité de surface conditionne celle du béton), d'une série de raidisseurs (chargés de limiter les déformations de cette peau coffrante) et d'une structure métallique pour assurer la stabilité de l'ensemble, limiter les déformations des raidisseurs et concentrer les forces de poussée du béton sur les appuis prévus à cet effet. Les coffrages sont enfin pourvus d'une série d'équipements destinés à assurer les réglages (hauteur, verticabilité), les assemblages des coffrages entre eux, les manutentions, l'accès des ouvriers et leur sécurité. Les coffrages verticaux sont appelés banches, les coffrages horizontaux, tables coffrantes. Certains coffrages particuliers (coffrages tunnels) permettent le coulage simultané des murs et du plancher supérieur d'une même cellule.
La construction en béton précontraint
Dans les ouvrages en béton précontraint, « la résistance à tous les efforts, tractions, compressions ou cisaillements, est demandée à une matière unique : le béton, comprimé préalablement de manière permanente de façon à y supprimer les tractions dangereuses ». C'est en ces termes qu'Eugène Freyssinet présentait en 1926 la technique qu'il venait de mettre au point.
La « précontrainte » consiste à armer le béton de câbles ou de tiges d'acier tendus à l'aide de vérins prenant appui sur le béton durci. La structure en béton est donc sollicitée par des efforts permanents préalablement à sa mise en service. Deux méthodes peuvent être employées.
– La précontrainte par prétension consiste à tendre au préalable les fils d'acier par des vérins prenant appui sur des points fixes. Le béton est ensuite coulé. Après durcissement, les fils sont coupés près des « abouts ». En voulant reprendre leur longueur initiale, ils mettent la pièce en précontrainte. La précontrainte par prétension est utilisée principalement pour la fabrication des poutrelles et des poutres destinées à la réalisation de planchers, ainsi que pour les poutres de ponts de faible ou de moyenne portée.
– La précontrainte par post-tension consiste à ne tendre les câbles que lorsque le béton préalablement coulé présente des résistances suffisantes. Une fois que la précontrainte est appliquée, on injecte dans la gaine un coulis de ciment qui fait prise et bloque définitivement les câbles.
La précontrainte par post-tension est d'usage général pour les ponts. Elle permet la réalisation d'ouvrages de grande portée spectaculaires, minces et étanches : barrages, réservoirs de grande capacité, enceintes de réacteurs nucléaires et poutres de grande portée pour la construction de bâtiments préfabriqués. Elle a été employée dans de grandes formes de radoub, des plates-formes d'exploitation pétrolière. Enfin, cette méthode permet de réaliser des tirants d'ancrage dans le sol qui assurent la stabilité d'éléments verticaux ou horizontaux.
La construction métallique
La construction métallique utilise des produits provenant de la transformation de lingots d'acier brut. Les produits sidérurgiques, appelés aussi produits finis, sortent du laminage à chaud. Il s'agit d'éléments de sections variées, livrés en barre droite : plats, cornières, tés, profilés (ou poutrelles) en I, H, U, produits à béton (armatures), palplanches, rails et traverses, fil machine, tôles. Les produits de première transformation proviennent du traitement (étirage à chaud, formage) des produits sidérurgiques. Parmi ces produits, on trouve les tubes ou profilés creux, les profilés à froid, les tréfilés, les poutres reconstituées et soudées.
Les structures constituées à partir de ces différents éléments nécessitent entre autres des opérations d'assemblage réalisées en partie en usine, en partie sur chantier. Ces assemblages doivent pouvoir transmettre d'une pièce à l'autre des efforts souvent importants. Leur résistance dépend toujours de leur conception, des conditions de réalisation et des qualités du métal employé. On distingue les assemblages mécaniques (boulonnage, rivetage) des procédés de soudage.
– Les assemblages mécaniques permettent la transmission d'efforts par frottement des pièces en contact. Parmi les plus fréquemment utilisés figurent l'appui direct réalisé par l'intermédiaire d'une platine, le rivetage à chaud, de moins en moins employé, le boulonnage ordinaire et ses dérivés (vis, goujons), le boulonnage HR (haute résistance). Ces procédés mécaniques servent aussi à comprimer de façon contrôlée le béton précontraint. L'écrou de serrage ou tête du câble de précontrainte et les boulons d'ancrage sont serrés à la clé dynamométrique.
– Le soudage, procédé qui assure une continuité du métal aux joints, consiste à porter un métal à haute température : par refroidissement et transformation métallurgique des bords assemblés, l'opération assure la continuité mécanique des pièces. Le soudage nécessite précautions et contrôles. En effet, la qualité d'un assemblage soudé dépend de la soudabilité de l'acier, mais aussi des conditions d'exécution, du type d'assemblage et de la qualification du soudeur. Parmi les différentes techniques de soudage, le soudage à l'arc s'est imposé.
L'emploi de l'acier dans la construction s'est développé dans des domaines mettant en œuvre ses qualités spécifiques : légèreté, rapidité de mise en œuvre, adaptation aux transformations ultérieures et propriétés mécaniques élevées. Les domaines d'utilisation de la construction métallique sont donc très nombreux : ils concernent spécialement la réalisation d'ouvrages d'art (ponts, grandes couvertures), de bâtiments (immeubles de grande hauteur, halles industrielles), de réservoirs, de plates-formes de forage fixes ou mobiles.
