Construction mixte acier-béton - Généralités. Caractéristiques des matériaux

Tout l’art de l’ingénieur dans la conception et le calcul d’un élément de structure mixte est de savoir faire fonctionner une part de l’élément en béton avec une autre part de cet élément en acier, en associant ces deux matériaux à leur interface au moyen de connecteurs travaillant essentiellement en cisaillement. Grâce à l’effet de la connexion, il est alors possible d’accroître appréciablement la rigidité et la résistance de l’élément, par exemple dans son comportement en flexion si l’élément est une poutre métallique en I connectée sur sa semelle supérieure à une dalle en béton. Dans certains cas, la liaison acier-béton peut n’avoir à reprendre que des efforts de cisaillement faibles et être assurée par simple adhérence et frottement sans avoir à mettre en place de connecteurs ; c’est par exemple le cas d’un poteau mixte avec section en acier de type I ou H enrobée de béton ou avec section en profil creux rempli de béton, le poteau étant sollicité essentiellement à l’effort normal. Le fonctionnement en mixte du poteau lui confère alors une plus grande résistance au flambement.

En France, si dans le domaine des ouvrages d’art le concept de pont mixte de type « bipoutres » a permis, dès les années 1980, un essor remarquable des ponts routiers, puis ensuite des ponts rails, le secteur du bâtiment en revanche n’a pas vu la réalisation d’un grand nombre de structures mixtes, ce type de construction n’apparaissant le plus souvent que ponctuellement sous forme de planchers ou de poteaux mixtes au sein d’une construction à ossature majoritairement en acier. On peut trouver plusieurs explications à cette situation, entre autres l’attitude des entreprises françaises du béton d’une part, de la construction métallique d’autre part, consistant à rester profondément attachées à l’habitude de réalisations spécifiques et traditionnelles, contrairement à ce qui s’est passé, ces dernières décennies, avec d’autres pays européens comme les pays scandinaves, l’Allemagne, l’Angleterre, la Pologne, la Hongrie, etc. où les entreprises pratiquent couramment les métiers à la fois du béton et de l’acier. Par ailleurs, à la décharge des maîtres d’ouvrage français, il convient de souligner l’absence totale de réglementation officielle dans le domaine du bâtiment mixte jusqu’en 2005, date de publication de la norme française NF EN 1994-1-1 (traduite de l’Eurocode 4), complétée seulement en 2007 par une Annexe Nationale. On pourrait rétorquer qu’il y a bien eu, de 1994 à 2005, une période transitoire avec la norme expérimentale de l’ENV 1994-1-1, mais celle-ci, susceptible de révisions, donc implicitement de statut faible, n’a guère encouragé les maîtres d’ouvrage à y faire référence dans un cadre contractuel de marché public ou privé. En fait, durant la période ENV, de nombreux échanges internationaux sur des points techniques et des travaux de recherche complémentaires financés par le Comité Européen de Normalisation (CEN) ont permis d’aboutir à la version définitive de l’EN de 2005, tout en couvrant un domaine d’application plus vaste que celui de l’ENV, permettant de concevoir et de calculer désormais un bâtiment intégralement en conception mixte. Certains produits de construction concernant le bâtiment mixte ne peuvent être traités dans l’EN, ce qui n’interdit pas leur utilisation avec ce code s’ils bénéficient d’Agréments Techniques au moins dans le pays où ils sont mis en œuvre. À ce titre, dans le présent article, on a jugé opportun de mettre un accent particulier sur des solutions actuelles de planchers minces à poutrelles imbriquées, en plein développement aujourd’hui en Europe.

Faire un dimensionnement optimal d’une structure mixte, en s’assurant d’une sécurité homogène de ses éléments, exige de bien maîtriser les propriétés de ses matériaux constitutifs, en particulier celles du béton, connu pour être un matériau complexe évoluant dans le temps par opposition à l’acier de construction qui est un matériau stable. C’est la raison pour laquelle dans la dernière partie de cet article des notions de base sont rappelées sur les phénomènes de fluage et de retrait du béton que l’on ne peut négliger en raison du report d’efforts dans le temps sur la partie acier et d’une certaine amplification des déformées des éléments mixtes. Les connecteurs acier – béton nécessitent également une caractérisation précise, mais ceci sera l’un des objets d’un article ultérieur consacré aux poutres mixtes. Enfin, les aciers d’armature eux-mêmes peuvent faire l’objet d’exigences précises, en particulier des exigences de ductilité dans la mesure où l’on peut être amené à tirer profit de la résistance plastique de l’élément en acier avec lequel l’armature collabore directement lorsque le béton est fissuré.