La conception de fondations est une étape cruciale dans tout projet de construction. Lorsqu'il s'agit de structures complexes ou de sols de qualité médiocre, les fondations spéciales, intégrant des longrines, deviennent indispensables. Une longrine, élément horizontal de liaison, assure la répartition des charges entre les différents éléments de fondation (pieux, micropieux, etc.) et contribue à la rigidité globale de l'ouvrage. Ce guide a pour objectif de fournir aux ingénieurs, aux techniciens et aux étudiants les clés pour un dimensionnement optimal des longrines, garantissant ainsi la sécurité et la durabilité des constructions. Nous explorerons les aspects théoriques, les méthodologies de calcul selon l'Eurocode, les considérations constructives et des illustrations pratiques.
Ce guide s'adresse aux ingénieurs en structure, aux étudiants en génie civil, aux techniciens supérieurs en construction, et aux professionnels du BTP impliqués dans la conception et la réalisation de fondations spéciales. Il vise à offrir un aperçu clair et précis des bonnes pratiques de dimensionnement, en s'appuyant sur les normes en vigueur et l'expérience de terrain.
Introduction
L'intégration de longrines dans une fondation spéciale optimise la répartition des charges, tant verticales qu'horizontales, entre les divers éléments de fondation. Elles se comportent comme des connecteurs rigides, assurant une liaison performante et minimisant les risques de tassements différentiels. Les longrines assurent la liaison entre les pieux dans une fondation de pont ou de bâtiment par exemple. Leur rôle est de rigidifier la fondation, en absorbant une partie des charges, tout en assurant la stabilité de l'ensemble de l'ouvrage. Il est donc essentiel de bien comprendre leur fonction et leur comportement pour un dimensionnement approprié.
Définition et rôle des longrines dans les fondations spéciales
Une longrine est un élément structurel horizontal, fréquemment réalisé en béton armé, reliant les têtes de plusieurs pieux, micropieux ou autres fondations profondes. Son rôle principal est d'établir une liaison rigide entre ces éléments, de répartir les charges provenant de la superstructure (bâtiment, ouvrage d'art, etc.) et d'accroître la rigidité globale du système de fondation. Elle contribue également à la diminution des effets des tassements différentiels et à une meilleure répartition des charges horizontales, en particulier en présence de sollicitations sismiques ou dues au vent. Il est important de distinguer la longrine de fondation, qui reprend directement les charges de la structure, de la longrine de redressement, utilisée pour stabiliser des éléments de fondation isolés. Selon l'Eurocode 7 (EN 1997-1), le choix du type de longrine doit tenir compte des conditions géotechniques locales et des charges appliquées.
Les fondations spéciales utilisant des longrines se déclinent sous diverses configurations :
- Fondations sur pieux avec des longrines connectant les têtes de pieux, assurant la répartition des charges concentrées.
- Fondations sur micropieux, où les longrines contribuent à une distribution plus homogène des charges sur un sol à faible portance.
- Parois moulées, dont les longrines assurent la stabilité et la rigidité, en particulier lors des phases de terrassement.
- Fondations mixtes combinant pieux et semelles filantes, les longrines faisant la transition entre ces deux types de fondation.
Importance d'un dimensionnement adéquat
Un dimensionnement inadéquat des longrines peut avoir des conséquences néfastes sur la stabilité et la durabilité d'un ouvrage. Un sous-dimensionnement peut provoquer la fissuration, voire la rupture de la longrine, des tassements différentiels excessifs, et même compromettre la sécurité de la structure. Une longrine sous-dimensionnée pourrait, par exemple, fléchir excessivement sous charge, engendrant des contraintes additionnelles dans les éléments de fondation et la superstructure. À l'opposé, un surdimensionnement représente un investissement superflu et peut compliquer l'exécution des travaux. L'impact sur la stabilité globale de l'ouvrage est donc un enjeu majeur qui justifie une approche rigoureuse du dimensionnement, conformément aux recommandations de l'Eurocode 2 (EN 1992-1-1).
Fondations spéciales courantes et leur relation avec les longrines
Les longrines sont intégrées à une variété de fondations spéciales, chacune présentant des particularités en termes de conception et de dimensionnement. Par exemple, les fondations sur pieux nécessitent des longrines capables de répartir les charges concentrées des poteaux sur un grand nombre de pieux, tandis que les fondations sur micropieux peuvent nécessiter des longrines plus légères, mais assurant toujours la liaison et la rigidification. L'adaptation de la longrine au type de fondation est essentielle pour garantir l'efficacité et la sécurité de l'ensemble structurel.
- **Pieux :** Liaison entre pieux, répartition des charges verticales et horizontales, accroissement de la rigidité de la fondation.
- **Micropieux :** Distribution des charges sur un sol de faible capacité portante, amélioration de la stabilité contre le renversement et le poinçonnement.
- **Barrettes :** Liaison entre les barrettes, résistance aux sollicitations de flexion et de cisaillement induites par les charges.
- **Inclusion rigide :** Liaison des inclusions, contrôle des tassements différentiels et amélioration du comportement global du sol.
Principes théoriques fondamentaux
La conception efficace des longrines repose sur une compréhension approfondie des principes fondamentaux de la mécanique des sols, du comportement structurel et des charges appliquées. L'interaction entre le sol et la structure est primordiale, car elle influence directement la répartition des charges et les sollicitations dans la longrine. Les hypothèses de calcul, basées sur la théorie des poutres, doivent être validées par une analyse rigoureuse et adaptées aux spécificités du projet. La détermination précise des charges et des combinaisons de charges est également essentielle pour garantir la sécurité et la durabilité de la longrine. Voici un aperçu de ces principes essentiels, conformément aux normes européennes.
Mécanique des sols et interaction Sol-Structure
La mécanique des sols est la discipline qui étudie le comportement des sols sous l'action de charges. Les concepts fondamentaux comprennent les contraintes (forces par unité de surface), les déformations (changements de forme) et les modules d'élasticité du sol (relation entre contraintes et déformations). Le module de Young (E), par exemple, est un paramètre essentiel qui quantifie la rigidité du sol. Les modèles simplifiés d'interaction sol-structure, tel que le modèle de Winkler (représentant le sol par une série de ressorts indépendants), permettent de simuler le comportement du sol sous la longrine. La variabilité du sol (hétérogénéité, anisotropie) doit être prise en compte lors de la conception, car elle peut affecter significativement la répartition des charges et les sollicitations dans la longrine. Selon Bowles (1996), les paramètres du sol doivent être déterminés avec soin à partir d'essais in-situ et de laboratoire.
Comportement structurel des longrines
La théorie des poutres constitue la base de l'analyse structurelle des longrines. Les hypothèses fondamentales incluent la linéarité du comportement des matériaux, la conservation des sections planes et la validité de la loi de Hooke. Les efforts à considérer lors du dimensionnement des longrines sont la flexion (due aux charges verticales), le cisaillement (forces agissant perpendiculairement à l'axe de la longrine), la torsion (moments de torsion) et les efforts normaux (compression ou traction). L'influence de la géométrie de la longrine (largeur, hauteur, élancement) sur sa résistance est cruciale. Une longrine plus haute sera généralement plus résistante à la flexion, mais plus sensible au flambement si son élancement est élevé. La norme EN 1992-1-1 (Eurocode 2) fournit les règles de calcul pour la vérification de la résistance des sections en béton armé soumises à ces différents efforts.
Charges et combinaisons de charges
La détermination précise des charges et de leurs combinaisons est une étape essentielle du dimensionnement des longrines. Les types de charges à considérer comprennent les charges permanentes (poids propre de la structure, charges des équipements fixes), les charges d'exploitation (charges dues à l'utilisation de la structure, telles que les charges de personnes ou de matériel), les charges climatiques (neige, vent) et les charges accidentelles (séismes, explosions). Les normes de combinaison de charges, telles que l'Eurocode 0 (EN 1990), définissent les coefficients de pondération à appliquer à chaque type de charge pour tenir compte des incertitudes et garantir la sécurité de la structure. La considération des charges dynamiques (séismes, vibrations) est particulièrement importante dans les zones à risque sismique ou à proximité de sources de vibrations. La prise en compte des charges dynamiques est détaillée dans l'Eurocode 8 (EN 1998).
Afin d'illustrer au mieux les charges, voici un tableau récapitulatif des normes européennes à utiliser :
| Type de Charge | Norme Eurocode de Référence | Description |
|---|---|---|
| Charges Permanentes (G) | EN 1991-1-1 | Poids propre des éléments de construction, charges des équipements fixes. |
| Charges d'Exploitation (Q) | EN 1991-1-1 | Charges dues à l'utilisation de la structure (personnes, mobilier, véhicules). |
| Charges de Neige (S) | EN 1991-1-3 | Charges dues à l'accumulation de neige sur la structure. |
| Charges de Vent (W) | EN 1991-1-4 | Pressions et dépressions exercées par le vent sur la structure. |
| Actions Sismiques (E) | EN 1998-1 | Forces d'inertie dues aux mouvements du sol lors d'un séisme. |
Méthodologie de dimensionnement des longrines
Le dimensionnement des longrines requiert une approche méthodique et rigoureuse, suivant un ensemble d'étapes clés. Ces étapes comprennent la collecte et l'analyse des données géotechniques, la modélisation structurelle, le dimensionnement aux états limites ultime (ELU) et de service (ELS), et la vérification de la conformité aux normes en vigueur, notamment l'Eurocode. Une analyse précise des sollicitations et des contraintes est indispensable pour garantir la sécurité et la durabilité de la longrine.
Étapes préliminaires
La première étape du dimensionnement consiste à collecter et analyser les données géotechniques disponibles. Cela inclut la revue des sondages, des essais in-situ (essais pressiométriques, essais pénétrométriques, etc.) et des rapports de sol, conformément à la norme EN 1997-2. Ces données permettent de déterminer les caractéristiques mécaniques du sol, telles que la cohésion (c), l'angle de frottement interne (φ) et le module de Young (E). La définition du modèle de sol et des paramètres pertinents pour l'interaction sol-structure est ensuite réalisée, en tenant compte de la variabilité et de l'hétérogénéité du sol. Un plan de charges complet et précis doit être établi, en identifiant tous les types de charges et leurs combinaisons, conformément à l'Eurocode 0 (EN 1990). Cette phase est cruciale pour assurer la fiabilité du dimensionnement.
Modélisation et analyse
La modélisation et l'analyse structurelle des longrines peuvent être réalisées à l'aide de différentes méthodes, allant des modèles simplifiés aux modèles éléments finis (MEF) sophistiqués. Les modèles simplifiés, tels que la poutre sur appuis élastiques (modèle de Winkler), permettent d'obtenir des estimations rapides des sollicitations et des déformations. Ces modèles sont adaptés aux projets de petite envergure où une approximation raisonnable est suffisante. Les modèles MEF (2D ou 3D) offrent une représentation plus précise du comportement de la structure et de l'interaction sol-structure, mais nécessitent une expertise et des ressources de calcul plus importantes. Ils sont particulièrement utiles pour les projets complexes avec des géométries irrégulières ou des conditions de sol variables. Le choix du logiciel de calcul approprié dépend de la complexité du projet et des exigences de précision. Les conditions aux limites doivent être définies avec soin, en tenant compte des interactions avec les pieux/micropieux et les autres éléments de la structure. Les logiciels tels que SAP2000 ou Robot Structural Analysis peuvent être utilisés pour réaliser ces analyses.
Dimensionnement à l'état limite ultime (ELU)
Le dimensionnement à l'ELU vise à garantir la résistance de la longrine sous les sollicitations les plus défavorables, conformément à l'Eurocode 2 (EN 1992-1-1). Il s'agit de calculer les sollicitations maximales (flexion, cisaillement, effort normal) en utilisant les combinaisons de charges pondérées définies par les normes. La détermination des armatures longitudinales et transversales est ensuite réalisée en fonction des sollicitations calculées et des caractéristiques des matériaux (béton et acier). La vérification de la résistance au cisaillement et à la torsion est également essentielle, notamment dans les zones soumises à des efforts concentrés. La justification de la stabilité de la longrine (flambement) est particulièrement importante pour les longrines de grande portée ou de faible section. Le respect des règles de l'art et des normes en vigueur est impératif pour garantir la sécurité de la structure.
Dimensionnement à l'état limite de service (ELS)
Le dimensionnement à l'ELS vise à garantir le confort des utilisateurs et la durabilité de la structure en limitant les déformations et la fissuration, conformément à l'Eurocode 2. Il s'agit de vérifier que les déformations (flèches et rotations) restent inférieures aux valeurs admissibles définies par les normes. Le contrôle de la fissuration est également crucial, car une fissuration excessive peut compromettre la durabilité du béton armé et favoriser la corrosion des armatures. Le calcul des contraintes dans le béton et dans l'acier permet de s'assurer qu'elles restent inférieures aux valeurs limites. L'impact des tassements différentiels sur la fissuration doit être pris en compte, car ils peuvent induire des contraintes additionnelles dans la longrine. Des abaques ou des formules simplifiées peuvent être utilisées pour estimer les déformations et les contraintes dans des cas courants, facilitant ainsi le processus de dimensionnement. La norme EN 1992-1-1 fournit des indications détaillées sur les critères de vérification à l'ELS.
| État Limite | Objectif Principal | Critères de Vérification (Eurocode 2) |
|---|---|---|
| État Limite Ultime (ELU) | Garantir la résistance et la stabilité de la structure sous les charges les plus défavorables. | Résistance à la flexion (Article 6.1), au cisaillement (Article 6.2), à la torsion (Article 6.3), stabilité au flambement (Article 5.8.3.3). |
| État Limite de Service (ELS) | Assurer le confort des utilisateurs et la durabilité de la structure. | Limitation des déformations (flèches, rotations - Article 7.4), contrôle de la fissuration (Article 7.3), limitation des contraintes (Article 7.2). |
Aspects constructifs et exécution
Le succès d'un projet de fondation spéciale ne dépend pas seulement d'un dimensionnement rigoureux, mais aussi d'une exécution soignée et d'une attention particulière aux aspects constructifs. Le choix des matériaux, le ferraillage, les détails constructifs, l'exécution et le contrôle qualité sont autant d'éléments qui contribuent à la performance et à la durabilité de la longrine. L'exploration de solutions innovantes peut optimiser les coûts, les délais et la qualité de la construction.
Choix des matériaux
Le choix des matériaux est une phase critique dans la conception des longrines. Le type de béton doit être sélectionné en fonction de sa résistance (classe de résistance, exprimée en MPa, par exemple C30/37), de sa durabilité (résistance aux agressions chimiques et physiques), et de sa formulation (composition, granulométrie, adjuvants). Le type d'acier doit être choisi selon sa résistance (limite d'élasticité, exprimée en MPa) et sa ductilité (capacité à se déformer avant la rupture). La protection contre la corrosion est essentielle, en particulier dans les environnements agressifs (sols pollués, zones côtières). Elle peut être assurée par un enrobage suffisant des armatures, l'utilisation de bétons spéciaux (bétons autoplaçants, bétons à faible perméabilité), ou des traitements spécifiques (revêtements époxy, protection cathodique). La norme EN 206 définit les spécifications du béton en fonction de l'environnement d'exposition.
Ferraillage et détails constructifs
Le ferraillage des longrines doit être conçu avec précision pour assurer une résistance appropriée aux sollicitations et une bonne durabilité. La disposition des armatures (longitudinales, transversales, chapeaux) doit être conforme aux règles de l'art et aux normes en vigueur, notamment l'Eurocode 2. L'ancrage des armatures dans les pieux/micropieux doit être dimensionné pour assurer une transmission efficace des efforts. La jonction entre les éléments préfabriqués (si applicable) doit garantir la continuité des efforts. Le respect des espacements minimaux et maximaux des armatures est essentiel pour assurer un bon enrobage et une bonne compacité du béton. Des plans de ferraillage détaillés doivent être établis, en mettant en évidence les zones critiques (zones d'ancrage, jonctions, zones soumises à des efforts concentrés).
- Assurer un enrobage minimal des armatures, en fonction de l'environnement, pour les protéger de la corrosion.
- Respecter les espacements minimaux et maximaux des armatures pour faciliter le bétonnage et garantir une bonne compacité du béton. Se référer à l'Eurocode 2 pour les valeurs précises.
- Ancrer correctement les armatures dans les pieux/micropieux pour une transmission optimale des efforts. Les longueurs d'ancrage doivent être calculées selon l'EN 1992-1-1.
Exécution et contrôle qualité
L'exécution des longrines doit être réalisée dans le respect des règles de l'art et des procédures de contrôle qualité. La préparation du chantier (terrassement, coffrage) doit être effectuée avec soin pour garantir la géométrie et les dimensions de la longrine, en respectant les tolérances définies dans le plan d'exécution. La mise en place des armatures doit être vérifiée avant le bétonnage, en contrôlant leur position, leur espacement et leur ancrage. Le bétonnage doit être réalisé dans des conditions optimales (vibration, cure) pour assurer une bonne compacité et une résistance adéquate du béton. Le contrôle de la géométrie et des dimensions de la longrine doit être effectué après le décoffrage. Des essais de contrôle du béton (résistance, compacité) doivent être réalisés pour vérifier la conformité aux spécifications, conformément à la norme EN 12390. Une checklist des points de contrôle qualité peut être utilisée à chaque étape de l'exécution pour garantir la qualité du travail.
Les tolérances de construction doivent être clairement définies dans le plan d'exécution, en accord avec la norme EN 13670. Les problèmes courants rencontrés sur chantier incluent les défauts de coffrage, les erreurs de positionnement des armatures et les problèmes de ségrégation du béton. Des mesures correctives doivent être prévues pour chaque type de problème, telles que la réparation du coffrage, le repositionnement des armatures et l'utilisation d'un béton plus fluide.
Solutions innovantes
L'innovation dans le domaine des longrines se traduit par l'utilisation de matériaux et de techniques de construction plus performantes. L'utilisation de bétons spéciaux (BFUP – Béton Fibré à Ultra Hautes Performances, bétons fibrés) permet d'améliorer la résistance, la durabilité et la légèreté des longrines. La préfabrication des longrines peut réduire les délais de construction et améliorer la qualité du travail. Les solutions d'armatures passives ou actives précontraintes permettent d'optimiser la résistance et la rigidité des longrines. Les techniques de renforcement (fibres de carbone) peuvent être utilisées pour réparer ou renforcer des longrines existantes. Il est crucial d'évaluer les avantages et les inconvénients de chaque solution innovante en termes de coût, de performance, de durabilité et de complexité de mise en œuvre.
- Utilisation de bétons spéciaux (BFUP, bétons fibrés) pour améliorer la résistance et la durabilité, permettant de réduire la section des longrines.
- Préfabrication des longrines pour réduire les délais de construction et améliorer le contrôle de la qualité en usine.
- Solutions d'armatures passives ou actives précontraintes pour optimiser la résistance et la rigidité, particulièrement avantageuses pour les grandes portées.
Exemples d'application et études de cas
Afin d'illustrer concrètement les principes et les méthodes de dimensionnement des longrines, nous allons présenter quelques exemples d'application et des illustrations pratiques. Ces exemples couvrent différents types de fondations spéciales et diverses situations géotechniques. Ils permettent de comprendre comment les concepts théoriques sont appliqués dans la pratique et comment les défis spécifiques de chaque projet sont résolus.
Dimensionnement d'une longrine pour une fondation sur pieux en terrain compressible
Cet exemple concerne le dimensionnement d'une longrine pour une fondation sur pieux dans un terrain compressible. Le contexte est le suivant : un bâtiment industriel devant supporter des charges importantes est construit sur un sol argileux compressible. Les charges sont réparties sur plusieurs poteaux avec une charge maximale de 1500 kN par poteau. Des pieux en béton armé de 80 cm de diamètre sont utilisés pour transférer les charges en profondeur. La longrine doit assurer la liaison entre les têtes de pieux et répartir les charges de manière uniforme. Le modèle de calcul utilisé est un modèle poutre sur appuis élastiques, en tenant compte de la raideur des pieux et de la compressibilité du sol. Les résultats de l'analyse permettent de déterminer les sollicitations maximales dans la longrine (flexion et cisaillement). Le ferraillage est ensuite dimensionné en conséquence, en respectant les règles de l'Eurocode 2. Le ferraillage est composé de 6HA20 en armature longitudinale et de HA10 tous les 15 cm en armature transversale. Les essais de sol ont révélé une portance de 120 kPa et un tassement de 5 cm. La longrine a une section de 50cm x 80cm. L'Eurocode 7 a permis d'évaluer les risques liés au tassement différentiel.
Dimensionnement d'une longrine pour une paroi moulée en zone sismique
Cet exemple concerne le dimensionnement d'une longrine pour une paroi moulée en zone sismique. Le contexte est le suivant : un ouvrage souterrain est construit en zone sismique avec un coefficient d'accélération de sol de 0.25g. Une paroi moulée en béton armé est utilisée pour assurer le soutènement des terres. La longrine doit assurer la liaison entre les panneaux de la paroi moulée et résister aux efforts sismiques. La modélisation de l'interaction sol-structure dynamique est réalisée à l'aide d'un logiciel éléments finis, en tenant compte du spectre de réponse sismique et des caractéristiques du sol. La disposition des armatures est conçue pour assurer la ductilité de la longrine et sa capacité à dissiper l'énergie sismique. Des armatures supplémentaires sont prévues dans les zones critiques, telles que les jonctions entre les panneaux de la paroi moulée. Des armatures en diagonale peuvent être ajoutées pour améliorer la résistance aux efforts de cisaillement dus au séisme. Le logiciel de calcul utilisé est SAP2000. L'Eurocode 8 est la référence pour le calcul parasismique.
Comparaison de différentes solutions de longrines (béton armé vs. béton précontraint)
Cet exemple compare différentes solutions de longrines (béton armé vs. béton précontraint) pour un projet donné. Le contexte est le suivant : une longrine de grande portée (20 mètres) doit supporter des charges importantes. Deux solutions sont envisagées : une longrine en béton armé classique et une longrine en béton précontraint. Une analyse des avantages et inconvénients de chaque solution est réalisée en termes de coût, de performance et de durabilité. La longrine en béton armé est moins coûteuse à la construction, mais nécessite une section plus importante et est plus sensible à la fissuration. La longrine en béton précontraint est plus coûteuse, mais permet de réduire la section, d'améliorer la résistance et de limiter la fissuration. Le seuil d'application de chaque solution est déterminé en fonction des contraintes du projet et des objectifs de performance. La solution en béton précontraint peut être plus appropriée si la réduction de la section est un critère important ou si une grande durabilité est requise. L'étude a pris en compte les coûts d'entretien sur une période de 50 ans.
En résumé
Le dimensionnement des longrines pour fondations spéciales est un processus complexe qui nécessite une expertise multidisciplinaire et une approche rigoureuse. La compréhension des principes théoriques, la maîtrise des méthodes de calcul selon l'Eurocode, l'attention portée aux aspects constructifs et l'exploration des solutions innovantes sont autant d'éléments clés pour garantir la sécurité, la durabilité et la performance des ouvrages. Une collaboration étroite entre les différents acteurs (géotechnicien, structure, entreprise) est essentielle pour mener à bien un projet de fondation spéciale.
L'évolution des normes et des techniques de calcul, le développement de nouveaux matériaux et de nouvelles solutions constructives offrent des perspectives prometteuses pour l'optimisation des longrines. Les ingénieurs et les professionnels du BTP doivent se tenir informés de ces avancées et les intégrer dans leur pratique. En suivant les recommandations de ce guide et en restant à l'écoute des innovations, ils pourront relever les défis complexes posés par les fondations spéciales et contribuer à la réalisation d'ouvrages durables et performants.