ct-g12.78-84

Comme le béton armé, le béton précontraint asso-cie béton et armatures, mais il s’en différencie defaçon fondamentale dans son principe. En 1928,Eugène Freyssinet eut l’idée géniale qui révolu-tionna le monde de la construction en permettantau béton de ne travailler qu’en compression. Ilvenait d’inventer le béton précontraint.

Il définissait ainsi la précontrainte : « Précontraindreune construction, c’est la soumettre avant applica-tion des charges à des forces additionnelles déter-minant des contraintes telles que leur compositionavec celles qui proviennent des charges donne entout point des résultantes inférieures aux contrain-tes limites que la matière peut supporter indéfini-ment sans altération. »

La précontrainte, en effet, a pour but de soumettrele béton lors de sa fabrication à des contraintes pré-alables permanentes de compression. Une foisl’ouvrage en service, ce gain en compression vas’opposer aux contraintes de traction créées par lescharges appliquées à l’ouvrage (poids propre,charge d’exploitation, charge climatique, etc.). Lebéton, matériau qui présente une faible résistanceà la traction, se trouve ainsi utilisé au mieux de sespossibilités en ne travaillant qu’en compression.

La précontrainte est appliquée au béton grâce àdes câbles de précontrainte en acier. Ces câblessont tendus par des vérins de précontrainte.

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2.6 Le béton précontraint

Lorsque l’on tend les câbles, ils vont par réactionappliquer un effort de compression au béton.L’intensité de la précontrainte à mettre en œuvredépend évidemment des tractions auxquelles ilfaudra s’opposer et des raccourcissements instan-tanés et différés du béton.

La précontrainte permet la réalisation d’ouvragessoumis à des contraintes importantes (ponts ouréservoirs de grande capacité) aussi bien que d’é-léments qui, tout en étant de faible épaisseur, doi-vent assurer des portées relativement longues(dalles-planchers, poutres). Elle est à l’origine deprogrès considérables pour l’utilisation du bétondans les ouvrages d’art et les structures coulées enplace ou réalisées à partir d’éléments préfabriqués.

La précontrainte peut être appliquée au béton :– soit par pré-tension (mise en tension des aciersavant coulage du béton) ;

– soit par post-tension (mise en tension de câblesaprès durcissement du béton).

NotaSelon l’Eurocode 2, le procédé de pré-contrainte consiste à appliquer des forces àla structure en béton par la mise en tensiond’armatures par rapport à l’élément enbéton. Le terme « précontrainte » est utiliséglobalement pour désigner l’ensemble deseffets permanents de ce procédé qui com-portent des efforts internes dans les sec-tions et des déformations de la structure.

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2.6.1 - Principe du béton précontraint

Le béton résistant mieux en compression qu’entraction, le but de la précontrainte est d’obtenir despièces qui ne travailleront qu’à la compression. Lesforces de traction engendrées par les chargesappliquées à l’ouvrage viendront en déduction desforces de compression créées par la mise en ten-sion des câbles de précontrainte.

Soit par exemple une poutre en béton armé surdeux appuis simples. Si on la soumet à une charge,elle se déforme. La section transversale, au droit de l’application de la charge se trouve compriméeà la fibre supérieure et tendue à la fibre inférieure.Lorsque la charge est trop forte, des fissures apparaissent à la partie inférieure de la poutre.Supprimons dans cette poutre l’armature de

traction classique pour la remplacer par une gainecourbe suivant la déformée de la poutre et conte-nant des câbles de précontrainte. En tirant sur lescâbles, on comprime la poutre. Dans la sectiontransversale, la fibre supérieure va se tendre et lafibre inférieure se comprimer.

Lors d’un chargement, les efforts de traction vien-nent alors en déduction des efforts de compressioncréés par la précontrainte et toutes les fibres res-tent comprimées. Cette poutre préalablementcomprimée supportera sans dommage les chargesqui provoqueraient la rupture d’une poutre enbéton armé de mêmes dimensions et portée. Il estpossible de déterminer l’effort de précontraintenécessaire pour que la poutre soit toujours compri-mée quelles que soient les charges appliquées. Enréalité, dans les grosses poutres, il y a de nom-breuses gaines. La disposition exacte des câbles etleur nombre dépendent de nombreux paramètres(dimensions et forme de la poutre, charges à sup-porter, etc.). Leur position relevée vers les extré-mités est destinée à améliorer la résistance àl’effort tranchant.

2.6.2 - Précontrainte par post-tension

La précontrainte par post-tension est réalisée pardes armatures (câbles ou torons) mises en tensionaprès coulage du béton lorsqu’il a acquis une résis-tance mécanique suffisante (pour lui permettre desupporter les efforts de compression auxquels il estalors soumis).

Après coulage et durcissement du béton, lescâbles de précontrainte sont enfilés dans des gai-nes et des ancrages qui s’appuient sur l’ouvrage enbéton à comprimer, mis en tension à l’aide devérins et bloqués tendus dans les ancrages. Lescâbles transmettent leur tension au béton et letransforment en béton précontraint. Il existe deux types de précontrainte par post-ten-sion :– intérieure au béton ;– extérieure au béton.

Chapitre • Dimensionnement des structures en béton2

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NotaLes ancrages de précontrainte constituentun organe essentiel puisqu’ils permettentd’assurer le maintien de l’effort de pré-contrainte dans les armatures après la miseen tension.Dans la plupart des systèmes de pré-contrainte, le blocage des armatures par rap-port à l’ancrage est obtenu par frottement(clavetage dans une pièce conique).

2.6.3 - Précontrainte par pré-tension ou précontraintepar fils adhérents

Une poutre est précontrainte par pré-tension lorsquela mise en tension des aciers de précontrainte esteffectuée avant le bétonnage de la poutre. Ces pou-tres sont fabriquées sur un « banc de préfabrication ».

Les armatures de précontrainte sont enfilées dansdes coffrages à l’intérieur des cages d’armaturespassives et sont positionnées grâce à des gabaritsmétalliques percés faisant également office de cof-frage d’about.

Les armatures de précontrainte (fils ou torons) sonttendues avant bétonnage (dans des bancs de pré-contrainte de plus de 100 m de longueur) à l’aidede vérins entre deux massifs d’ancrage. Le bétonfrais est coulé au contact des armatures. Lorsqu’il aacquis une résistance suffisante (la montée enrésistance peut être accélérée par traitement ther-mique), on libère la tension des fils (par relâche-ment des vérins), qui se transmet au béton paradhérence et engendre par réaction sa mise encompression (les fils détendus veulent reprendre

NotaLa précontrainte extérieure présente denombreux avantages, notamment l’allé-gement des structures par réduction dessections, la facilité de mise en œuvre etsurtout les possibilités de remplacementdes câbles endommagés ou de renforce-ment de structures soumises à des char-ges accrues.

La mise en précontrainte par post-tension est réali-sée par la succession des étapes suivantes :– des conduits (les plus utilisés sont des « gaines »)sont positionnés à l’intérieur du coffrage (pré-contrainte intérieure) ou à l’extérieur (pré-contrainte extérieure) avant bétonnage ;

– les armatures sont enfilées dans les conduitsaprès bétonnage ;

– les armatures sont tendues à leurs extrémités pardes vérins qui prennent appui sur le béton de lapoutre et « ancrées » par des systèmes d’ancra-ges; la tension des armatures se transmet aubéton et le comprime ;

– le contrôle de la tension des câbles est effectuépar mesure de leur allongement (l’allongementétant proportionnel à l’effort de traction exercésur les câbles – Le calcul de l’allongement ducâble doit tenir compte des différentes pertes detension, par frottement, par déformations instan-tanée ou différée du béton ou par rentrée desancrages) ;

– les vérins sont ensuite démontés et les excé-dents de câbles coupés ;

– les conduits sont enfin injectés par un coulis deciment (ou parfois par des cires ou des graisses)afin de protéger les armatures de précontraintede la corrosion.


leur longueur initiale, mais leur adhérence au bétonempêche ce raccourcissement et l’effort qu’il a falluexercer pour les tendre se transmet au béton).

Cette technique est uniquement appliquée à lapréfabrication : elle permet de réaliser des pou-trelles, des poteaux, des poutres, des dalles alvéo-lées, des prédalles, etc.

2.6.4 - Armatures de précontrainte

Les armatures de précontrainte sont en acier àhaute résistance. Elles se présentent sous forme defils, de torons, de barres ou de câbles. Elles peu-vent être intérieures au béton :– pré-tendues et adhérentes ;– post-tendues et adhérentes ou non.Elles peuvent aussi être extérieures au béton etreliées à la structure au niveau des ancrages et desdéviateurs uniquement.

Les torons

Les torons sont un assemblage de plusieurs fils (lefil est produit par déformation à froid (tréfilage)d’un fil machine).

• Torons 3 fils : 3 fils enroulés sur un axe théoriquecommun (utilisation en précontrainte par pré-ten-sion uniquement).

• Torons 7 fils : 6 fils disposés en hélice autour d’unfil central d’un diamètre plus important.

Les torons sont caractérisés par leur nombre de fils(et la section du fil) et leur diamètre. Les classes derésistance des torons sont : 1670, 1770, 1860 et1960 MPa. Les caractéristiques des torons les pluscourants sont données dans le tableau ci-dessous.

Ils sont définis par leur force garantie de rupture(FRG) qui varie selon la classe de l’acier.

Les câbles

Les câbles sont constitués de plusieurs torons enacier à haute résistance pour béton précontraint. Lagamme des câbles s’étend des câbles monotoronsaux câbles de très grande puissance comportantjusqu’à 55 torons.

Les unités les plus courantes, pour la précontraintelongitudinale, sont les unités 12 ou 13 T15 S (compo-sées de 12 ou 13 torons T15 S) pour la précontrainteintérieure et 19 T15 S pour la précontrainte exté-rieure.

Un câble est défini par le type et le nombre detorons et la classe de résistance.


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Désignation Classe MPa Diamètre (mm) Section (mm2)T 13 1860 12.5 93

T 13 S 1860 12.9 100

T 15 1860 15.2 139

T 15 S 1860 15.7 150

Tableau 17 : caractéristiques des torons de précontrainte


2.6.5 - Conduits pour précontraintepar post-tension

Il existe plusieurs types de conduits dans lesquelssont disposés les câbles :– gaine (métallique) nervurée en feuillard : épais-seur du feuillard : 0,3 à 0,6 mm – diamètre 25 à130 mm;

– tube rigide en acier – épaisseur 1,5 à 2 mm;– gaine nervurée en PEHD;– tube en PEHD.La gaine en feuillard est la plus courammentemployée en ouvrage d’art.

Les conduits, nécessaires uniquement en post-ten-sion, ont pour rôle de :– ménager un passage continu du câble de pré-contrainte selon le tracé et la position prévue lorsdu dimensionnement de l’ouvrage ;

– résister aux sollicitations lors de l’installation, lamise en tension (pression localisée, abrasion) etl’injection (étanchéité, pression d’injection) ;

– transmettre les efforts par adhérence (dans le casde la précontrainte intérieure) ;

– assurer une protection mécanique de l’armature etune enveloppe (étanchéité) du coulis d’injection.

La section du conduit est égale à 2 à 2,5 fois la sec-tion de l’armature afin de permettre son remplis-sage.

2.6.6 - Injection des conduits de précontrainte

L’injection avec des coulis de ciment des câbles deprécontrainte a pour objectif de protéger les aciersde précontrainte contre les agents corrosifs exté-rieurs. En évitant tout contact entre les armatureset l’eau ou l’air humide, le coulis de ciment consti-tue une barrière permanente contre la corrosion,du fait de la passivation des armatures. Il garantit lapérennité de la précontrainte et donc de l’ouvrage.Cependant, l’injection est une opération délicate àréaliser en raison des tracés fortement ondulés descâbles et de leur grande longueur.

Le coulis, pour assurer convenablement la satisfac-tion des exigences, doit être injecté de tellemanière que la gaine soit entièrement remplie. Ilne doit pas présenter de phénomène de ségréga-tion pendant l’injection et pendant la période avantla prise. Il est adjuvanté, ce qui optimise ses carac-téristiques rhéologiques et lui confère une fluiditéadaptée aux méthodes d’injection et une duréed’injectabilité maîtrisée.

La fabrication du coulis se fait par malaxage dans desmalaxeurs à haute turbulence ou des turbomalaxeurs.

Les essais et contrôles à effectuer sur les coulis deciment portent sur :– la composition chimique des constituants qui nedoit pas révéler la présence d’éléments agres-sifs ;

– la fluidité du coulis qui doit être maintenuedurant une période en accord avec les conditionsde mise en œuvre ;

– la stabilité du coulis avant prise ;

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– l’absorption capillaire déterminée sur coulis durcià diverses échéances ;

– la résistance mécanique en flexion et en com-pression ;

– le temps de début et de fin de prise (sur plage detempérature d’utilisation).

Les spécifications sur les coulis visent à leur confé-rer un maintien de la fluidité et de l’homogénéitépendant plusieurs heures, pour une maîtrise de ladurée d’injectabilité et pour une reproductibilitédes caractéristiques pendant toute la durée duchantier.

La méthode traditionnelle consiste à réaliser l’in-jection par pompage à une extrémité avec mise àl’air de l’évent à l’extrémité opposée et ouverture,au passage du coulis, des évents intermédiairessitués aux points hauts du conduit.

Après l’injection de la totalité de la gaine et miseen pression du conduit à 0,5 MPa, on procède à lapurge des capots d’ancrage et des évents, puis au

cachetage des têtes d’ancrages afin d’éviter touteinfiltration d’eau jusqu’aux ancrages.

Les coulis de ciment à base de constituants de qua-lité, dont les formulations sont optimisées, offrentdes performances stables. La réglementationactuelle permet, grâce à la procédure d’avis tech-nique basée sur une série d’essais pertinents, decontrôler parfaitement la chaîne de fabrication etd’injection du coulis et d’en garantir la qualité et laprotection efficace des câbles de précontrainte.

2.6.7 - Propriétés des armatures de précontrainte

Les propriétés des armatures de précontrainte sont définies dans l’article 3.3 de la norme NF EN 1992-1-1.

Les armatures de précontrainte (fils, torons et bar-res) sont définies en fonction des caractéristiquessuivantes :– résistance, décrite par la valeur de la limite d’é-lasticité conventionnelle à 0,1 % (fp0,1k), par lerapport de la résistance en traction à la limite d’é-lasticité conventionnelle (fpk / fp0,1k) et par l’allon-gement sous charge maximale (εuk) ;

– classe indiquant leur comportement vis-à-vis dela relaxation ;

– section ;– caractéristiques de surface.

Le diagramme « contrainte déformation » fait l’ob-jet de la figure 3.10 de l’article 3.3.6.Pour le dimensionnement des sections, l’une oul’autre des hypothèses suivantes peut être faite :– branche inclinée, avec une limite de déforma-tion εud ;

– branche supérieure horizontale, sans limite pourla déformation.

L’article 5.10 de la norme NF EN 1992-1-1 précisetoutes les données relatives aux forces de pré-contrainte et aux pertes de précontrainte instanta-née et différée à prendre en compte pour ledimensionnement. Les forces de précontrainte


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durant la mise en tension sont limitées par lacontrainte maximale de l’armature et par une com-pression limite dans le béton.

NotaLes dispositions constructives relatives auxarmatures et aux gaines de précontraintesont définies dans l’article 8.10.1 de lanorme NF EN 1992 partie 1-1.

2.6.8 - Domaines d’utilisation du béton précontraint

Le béton précontraint est utilisé pour de nombreuxouvrages.

• Les ponts :– ponts poussés ;– ponts en encorbellement à voussoirs pré-fabriqués ;

– ponts en encorbellement coulés en place,– ponts à poutres ;– ponts à haubans ;– PSI-DP Passages supérieurs ou inférieurs àdalle précontrainte ;

– VI-PP Viaducs à travées indépendantes àpoutres précontraintes ;

– PR-AD Poutres précontraintes par adhé-rence*.

• Les structures off-shore• Les structures industrielles• Les réservoirs (d’eau, d’hydrocarbures) et les silos• Les enceintes de réacteurs nucléaires• Les bâtiments industriels, commerciaux ou agricoles :

– poutres*, poutrelles*;– dalles alvéolées de planchers*;– prédalles*;– poutres et poteaux pour ossatures.

NotaDans le domaine du bâtiment, la pré-contrainte par post-tension, bien quemoins courante, est utilisée pour des pou-tres de grande portée ou pour des dallesde planchers de section relativementmince par rapport à leur portée : parkings,bâtiments industriels ou commerciaux.

*Précontrainte par pré-tension.

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