GÉNIE CIVIL

GÉNIE CIVIL

L’expression «génie civil» prête à confusion, car aucun des deux mots qui la composent n’y prend son sens habituel: le génie consiste en une forme supérieure de l’intelligence, dont l’origine peut être trouvée dans des êtres surnaturels, doués d’un pouvoir magique. On peut penser aussi que le mot génie, en l’espèce, provient du latin ingenium , désignant la puissance créatrice: les bâtisseurs d’autrefois, répondant à des besoins fondamentaux de l’humanité, et développant sans cesse une technique fondée sur l’expérience, pouvaient en effet donner l’impression d’un pouvoir quasi surnaturel.

Quant à l’adjectif civil , il est encore plus ambigu: dans son acception générale, il s’oppose à militaire , et l’on pourrait penser à deux catégories d’ouvrages, civils d’une part: habitations, bâtiments administratifs ou de cultes, ponts..., et militaires d’autre part: fortifications, abris, casernes... Mais, en tant qu’épithète du nom ingénieur , le mot civil prend un sens beaucoup plus large: un ingénieur civil est celui qui a obtenu un diplôme d’ingénieur, quelle que soit sa spécialité, sans appartenir à un corps de l’État.

Le génie civil comprend en fait tout le domaine de la construction, ou tout au moins de son ossature porteuse; il inclut donc des ouvrages aussi variés que:

– le gros œuvre et les fondations des bâtiments, de toute nature;

– les ponts, viaducs et tunnels, désignés habituellement comme ouvrages d’art;

– les barrages, quais, écluses, bassins de radoub, digues et jetées, et autres constructions hydrauliques;

– l’ossature porteuse des constructions industrielles, usines, réservoirs, grandes canalisations, etc.;

– éventuellement, les terrassements et les chaussées.

Cette liste n’est d’ailleurs pas exhaustive.

Cette définition du génie civil est différente de celle qui était donnée il y a une trentaine d’années: le génie civil recouvrait alors tout ce qui concernait l’art de concevoir et de réaliser des constructions qui n’étaient ni des ouvrages de défense, ni des ouvrages hydrauliques ou de travaux publics. Cette évolution est probablement due à la contamination de l’expression anglaise civil engineering , qui couvre l’ensemble du domaine de la construction.

Les activités du génie civil peuvent être classées en trois phases successives:

– la conception et la définition de l’ouvrage, accompagnées le plus souvent d’une étude de sa rentabilité;

– l’élaboration du projet technique détaillé;

– l’exécution des travaux de construction.

Dès lors qu’il s’agit d’ouvrages d’une certaine importance, ces trois étapes sont disjointes, car, en raison de leur développement, elles requièrent chacune une telle spécialisation qu’elles sont en général confiées à des équipes de formations et d’expériences très différentes.

Il importe cependant de remarquer que les trois phases de la construction doivent conserver une liaison étroite: le concepteur d’un ouvrage doit avoir présents à l’esprit les ordres de grandeur des dimensions des structures qui résulteront de l’étude technique, ainsi que les méthodes de construction, car celles-ci peuvent avoir une influence déterminante sur la forme des éléments porteurs de l’ouvrage; il est donc nécessaire d’instaurer un dialogue permanent entre les différentes équipes de conception, de projet et d’exécution, afin d’optimiser l’ensemble de l’opération.

1. Conception des ouvrages de génie civil

La démarche de la conception d’un ouvrage est sensiblement différente suivant qu’il s’agit d’un bâtiment, d’un ouvrage d’art, ou d’une construction industrielle. Dans le premier cas, l’architecte y joue un rôle déterminant, et souvent quasi exclusif, ne laissant à l’ingénieur qu’un rôle d’exécutant; dans le cas des ouvrages d’art, au contraire, l’ingénieur règne en maître, et croit parfois inutile l’intervention de l’architecte; les constructions industrielles représentent un moyen terme entre ces deux positions extrêmes, avec toutefois, la plupart du temps, une tendance à la domination du projet par l’ingénieur. Cependant, de plus en plus, la nécessité de recourir dans tous les cas aux deux formations complémentaires de l’architecte et de l’ingénieur s’impose, et des équipes intégrées se forment, susceptibles d’assurer à la fois la conception, la maîtrise d’œuvre et quelquefois jusqu’à la construction complète des ouvrages «clés en main», suivant l’expression consacrée par l’usage.

La conception d’un ouvrage exige tout d’abord l’élaboration d’un programme, qui rassemblera tous les facteurs susceptibles d’avoir une influence sur le projet; le programme comprendra:

– les données formulées par le maître d’ouvrage – objet de la construction, formes et dimensions, conditions d’exploitation, durée de vie envisagée, aspect, budget...;

– les données relatives à l’environnement – situation, forme et nivellement du terrain, moyens d’accès, nature du sol, hydrologie, caractéristiques climatiques (vent, neige, température...), techniques et architecture régionales ou locales...;

– les données sociales – nature de l’activité exercée, comportement et besoins des occupants;

– les données administratives et légales – lois et règlements administratifs et techniques, normes applicables, contraintes particulières éventuelles.

Tout cet ensemble d’éléments comprend à la fois des données numériques, de caractère précis et intangible, qui donnent lieu à des solutions uniques, par une démarche déductive, et des données plus floues, mais non moins importantes, qui concernent l’univers psychologique des occupants ou des usagers futurs de l’ouvrage; ces dernières données engendrent une démarche inductive, dont le résultat peut être extrêmement variable, en fonction de la sensibilité, de l’expérience, de l’imagination, et des qualités artistiques du concepteur.

Il est rare que le résultat cherché soit atteint d’emblée; l’auteur du projet doit d’abord classer par ordre d’importance les conditions à satisfaire, puis ébaucher une ou plusieurs solutions, c’est-à-dire exprimer un parti, qu’il confrontera à la masse des données. Par retouches successives, portant aussi bien sur la programmation que sur l’ébauche elle-même, il aboutit ainsi à une organisation de l’espace, satisfaisant à la fois les conditions fonctionnelles et les contraintes d’ordre mécanique imposées par l’emploi des matériaux choisis.

Le concepteur est lié par tous les impératifs auxquels est soumise une construction. Avant tout, celle-ci se voit assigner une fonction porteuse: elle doit se porter elle-même, et porter les différentes charges qui lui seront appliquées. Elle doit en outre assurer une protection des personnes et des biens qu’elle abrite vis-à-vis des agressions extérieures de toute nature; elle doit être durable. Ses déformations sous l’effet des diverses actions qu’elle subit ne peuvent excéder certaines limites. Elle doit répondre à une exigence d’ordre esthétique, plus ou moins marquée suivant sa destination et sa situation, et, enfin, elle doit s’inscrire dans un budget déterminé.

Fonction porteuse

Les actions appliquées à une construction peuvent être permanentes ou variables.

Les actions permanentes comprennent:

– le poids des éléments porteurs, poutres d’un pont, poteaux et planchers d’un bâtiment;

– le poids des éléments non porteurs dont l’existence est imposée par la fonction de l’ouvrage (cloisons, revêtements de sol, conduits de fumée, menuiseries pour un bâtiment; revêtement de chaussée, garde-corps, glissières pour un pont);

– les pressions éventuelles exercées sur l’ouvrage, par l’eau ou des remblais de terre.

Les actions variables, de leur côté, comprennent:

– les charges d’exploitation, définies souvent par une norme (norme NF P 01-601, par exemple, dans le cas d’un bâtiment à usage d’habitation) ou par un règlement dans le cas d’un pont routier; ces charges peuvent aussi être définies par la fonction de l’ouvrage, comme c’est le cas pour un entrepôt, un magasin, ou un plancher d’usine, et elles doivent alors comporter une marge, afin de permettre ultérieurement des modifications éventuelles des conditions d’exploitation; l’expérience montre en effet que, lorsqu’un ouvrage a été conçu de façon à satisfaire trop strictement aux conditions prévues, tout changement de celles-ci impose des renforcements très onéreux des structures porteuses;

– les charges climatiques, essentiellement vent, neige et températures, définies en France par les règles NV (neige-vent);

– les actions accidentelles, telles que le choc d’un bateau ou d’un véhicule sur une pile de pont, ou l’effet d’un séisme; en France, la prise en compte de l’action des séismes est définie par un règlement dénommé «règles PS» (parasismiques);

– s’il y a lieu, on doit en outre tenir compte des actions qui apparaissent en cours de chantier (transport et manutention des éléments de l’ossature, circulation provisoire sur certaines parties de la construction, accrochage provisoire de charges à l’ossature), ainsi que des charges d’essai lorsque la vérification de la stabilité de l’ouvrage peut être faite directement.

L’ensemble des actions et la prise en compte de leurs différentes combinaisons pour la vérification de la stabilité des ouvrages sont définis par les «Directives communes relatives au calcul des constructions», dites DC 79, du 13 mars 1979, fascicule spécial 79-12 bis du Bulletin officiel du ministère de l’Environnement et du Cadre de vie.

Cas particulier du bâtiment: partition de l’espace

Pour un projet de bâtiment, l’étude du programme conduit à délimiter des volumes à l’intérieur desquels vivra le groupe pour qui la construction est conçue. Ces volumes ont des périodes d’occupation et des fonctions distinctes: bureaux, ateliers, magasins, pièces d’habitation, sanitaires, etc. Ils peuvent communiquer entre eux, et avec l’extérieur plus ou moins largement, en fonction du programme. Leur forme et leurs dimensions découlent de ce dernier. Les parois séparant les volumes entre eux ainsi que de l’extérieur doivent répondre à certains impératifs d’isolation phonique, thermique, ou simplement mécanique: effraction, vol, vent, pluie, etc. Dans le cas des logements et des locaux recevant du public, les qualités minimales d’isolation acoustique et d’inertie thermique sont définies par des normes précises.

Enfin, une construction doit être fonctionnelle: elle doit être conçue pour permettre, en son intérieur et, le plus souvent, en liaison avec d’autres locaux voisins, l’accomplissement avec le minimum de contraintes de certaines activités. On peut définir le caractère fonctionnel d’une construction comme celui qui assure le meilleur confort des activités.

Durabilité

Les différents matériaux constitutifs d’une construction sont soumis à des agressions diverses d’origine sociale (chocs, dégâts, dégradations causées par les individus, volontairement ou non, en dehors de toute considération de fonctionnement), d’origine fonctionnelle (abrasion, empoussièrement et salissures, corrosion), d’origine naturelle (nappes d’eau agressives pour les fondations telles que les eaux séléniteuses, l’oxygène et le gaz carbonique de l’air, les rayons ultraviolets, les cycles de retrait de l’eau dans le béton et de dilatation thermique, diurnes et saisonniers, les cycles de gel et de dégel, la pluie, la neige, l’érosion éolienne, l’air marin, les embruns, etc.) ou d’origine artificielle due à l’environnement (atmosphère polluée des grands centres urbains et industriels, par exemple nappe phréatique rendue agressive par des nuisances industrielles).

La durée de vie souhaitable pour un ouvrage est difficile à définir précisément. Pour un pont ou un bâtiment à usage d’habitation, le chiffre de cent ans est souvent avancé, sans autre justification que sa valeur ronde; pour certaines constructions industrielles, et en particulier les usines chimiques, les durées sont plus courtes, de l’ordre de vingt à trente ans, en raison de l’évolution très rapide des procédés de fabrication.

Quant à la réalisation d’un ouvrage d’une durée de vie déterminée, elle est aussi très aléatoire: sans parler même de catastrophes naturelles telles qu’ouragans, crues exceptionnelles ou séismes, il est difficile d’estimer a priori la rapidité de la dégradation d’une construction; elle est d’ailleurs fonction, pour une très large part, des conditions d’exploitation, et surtout d’entretien.

Du point de vue légal, le concepteur et l’entrepreneur sont tenus à une garantie décennale, qui met à leur charge les travaux de réparation si des désordres surviennent dans l’ouvrage; cette garantie de dix ans, qui ne s’appliquait naguère qu’aux bâtiments, a été étendue progressivement, au cours de la dernière décennie, aux ouvrages de génie civil de toute nature.

Limitation des déformations

Les matériaux de construction, comme tous les corps solides, sont déformables; il en est de même pour le sol sur lequel reposent les fondations de l’ouvrage; la résistance des matériaux et la mécanique des sols permettent de prévoir et de limiter à des valeurs acceptables les déformations dues aux effets des diverses contraintes appliquées à l’ouvrage.

On peut remarquer tout d’abord que cette élasticité des matériaux est indispensable pour permettre leur adaptation: sinon, leur fragilité les rendrait cassants, et impropres à la construction.

Cependant, les déformations peuvent présenter des inconvénients, d’ordre esthétique lorsque l’harmonie de l’ouvrage s’en trouve altérée, ou d’ordre fonctionnel, quand ces déformations peuvent nuire à une exploitation normale de la construction, ou provoquer des désordres dans des éléments non porteurs (cloisons, couverture...) dans des ouvrages du second œuvre (portes, fenêtres, revêtements de sol), ou encore dans certains éléments d’équipement: garde-corps, canalisations...

Les structures en béton sont le siège de déformations à long terme, qui ne se stabilisent qu’au bout de plusieurs années, et qui sont dues au retrait et au fluage de ce matériau. Le retrait est une contraction du béton, d’une intensité de quelques dix-millièmes, due à l’évaporation de l’eau contenue en excès dans la pâte de ciment; c’est en raison du retrait, aussi bien que des dilatations thermiques, que l’on doit prévoir dans les bâtiments d’une certaine longueur des joints distants de 30 à 40 mètres. Le fluage est une déformation sous charge, qui peut se traduire par des flèches anormales d’éléments porteurs.

La déformation peut enfin revêtir un caractère dynamique; c’est le cas, par exemple, pour certains ouvrages soumis à l’action du vent, ou de la houle; il est alors nécessaire de calculer la période propre de la structure, afin de vérifier l’absence d’un risque de résonance, qui pourrait engendrer de graves désordres, ou même la ruine totale de l’ouvrage.

Aspect esthétique

La beauté d’une construction est une qualité subjective, et partiellement assujettie à la mode; cependant, certaines règles fondamentales ne peuvent être transgressées sans nuire à l’harmonie de la construction. Parmi celles-ci, la plus importante est que la plastique doit d’abord découler du fonctionnel: la décoration ne doit pas masquer la structure, mais au contraire en souligner les lignes.

Viennent ensuite d’autres facteurs tels que les proportions des éléments, leurs formes, leurs couleurs...

L’esthétique des ouvrages de génie civil a été souvent sacrifiée à des impératifs d’économie, mais il suffit de consacrer un très faible pourcentage du coût global de la construction pour améliorer sensiblement son aspect, ce qu’on essaie de réaliser.

2. La construction des ouvrages

La construction des ouvrages de génie civil comprend l’élaboration du projet d’exécution et la réalisation des travaux. Dans les pays anglo-saxons, ces deux phases sont entièrement distinctes, le projet d’exécution étant souvent complètement achevé avant même que l’entreprise chargée des travaux soit désignée. En France, au contraire, la plupart des entreprises disposent de bureaux d’études intégrés, ce qui facilite le dialogue entre les équipes chargées, respectivement, des études du projet et des méthodes d’exécution. Cette caractéristique place la France au tout premier rang en matière de génie civil, et elle explique le succès important de nos entreprises à l’exportation.

Le projet d’exécution d’un ouvrage est formé de plans, souvent au nombre de plusieurs milliers, qui définissent la construction dans ses moindres détails; les plans sont accompagnés de notes de calcul, qui justifient la stabilité de l’ouvrage et son respect des règlements en vigueur et des spécifications qui lui sont propres.

La démarche du projet consiste à déterminer un schéma mécanique de la structure porteuse, assez fidèle pour refléter correctement son fonctionnement, et assez simple pour que le calcul soit possible. Puis, sur ce schéma, à partir des actions qui s’exercent, et en choisissant leurs combinaisons les plus défavorables, le projeteur évalue, en application de la résistance des matériaux, les sollicitations extrêmes que subissent les éléments de la structure : efforts normaux ou tranchants, moments fléchissants, moments de torsion. Il détermine enfin avec précision les dimensions des pièces : épaisseur de l’âme et des semelles d’une poutre en acier, dimensions de coffrage et armatures d’une dalle ou d’une poutre en béton, équarrissage d’une pièce de charpente en bois. Pour cela, il doit obéir à des prescriptions réglementaires précises, et aussi aux «règles de l’art», dont l’importance relative diminue aujourd’hui, mais qui, pendant des siècles, ont constitué la seule base de la technique de la construction.

Connaissance des matériaux

La gamme des matériaux utilisés en construction est à la fois étendue et variée. On y distingue cependant deux catégories: les matériaux structuraux servant à la réalisation des éléments porteurs et les matériaux servant à la réalisation d’éléments non porteurs, au second œuvre et à l’équipement.

La première catégorie renferme des matériaux résistants, d’un coût peu élevé et pouvant être élaborés sous forme d’éléments de grandes dimensions (bois, terre, pierre, produits de terre cuite, liants hydrauliques, fontes, aciers, alliages légers, plastiques le plus souvent armés). Sont également à ranger dans cette catégorie des matériaux structuraux composites tels que le béton armé, le béton précontraint et le bois lamellé collé dont les constituants perdent leur individualité, au point de se fondre dans une entité matérielle douée de propriétés propres.

La seconde catégorie est plus étendue et ses limites reculent sans cesse. En effet, la résistance, le coût et les dimensions maximales des pièces interviennent beaucoup moins. Outre tous les matériaux de la première catégorie, cette classe comprend les dérivés du bois, les faïences, les porcelaines, les aciers inoxydables, le cuivre, le bronze, le laiton, le zinc, le plomb, les produits verriers, le cuir, les élastomères, les produits textiles, le bitume, le goudron, etc. Une partie de ces matériaux joue un rôle de protection et assure sa longévité à la construction.

Pièces de construction

Toute structure peut être décomposée en parties élémentaires dites pièces de construction. Ces pièces sont aux structures ce que l’atome est à la matière. Si l’on peut les décomposer à leur tour en parties encore plus élémentaires, ces dernières perdent toute trace de l’individualité de la pièce dont elles proviennent et, a fortiori, de la structure dont elles faisaient partie.

Les pièces de construction sont caractérisées par leur forme, leur mode de fonctionnement et, éventuellement, par leur position dans la structure.

L’art de construire étant fort ancien, son langage est souvent très coloré, modelé qu’il a été par l’usage. Deux pièces de construction de formes topologiquement semblables et de même fonctionnement peuvent porter des noms différents selon leur position dans l’ouvrage ou leur matériau constitutif et, éventuellement, leur fonctionnement. Ainsi les vocables: poutres, linteaux, filets, poitrails, consoles désignent des éléments longs, rectilignes, horizontaux, soumis à la flexion simple.

Classification suivant la forme

Les corps prismatiques . La plupart des pièces de construction ont pour image originelle une pièce de bois. Elles se présentent sous l’aspect d’un solide assez allongé dont les sections transversales sont de faibles dimensions vis-à-vis de la longueur et varient lentement. De tels solides sont les premiers que l’homme ait su confectionner et calculer.

À partir de cette description de praticien, les physiciens ont formulé une définition plus rigoureuse: Soit un arc de courbe AB, sans point multiple, et un plan (P), mobile, normal à AB. On désigne par G les points d’intersection du plan (P) et de l’arc AB. Soit (C) un contour fermé dans le plan (P) dont l’aire admet constamment le point G pour centre de gravité, et dont les dimensions sont négligeables par rapport à la longueur de l’arc AB, ainsi que par rapport au rayon de courbure de ce dernier. Si, en outre, les dimensions du contour (C) varient lentement quand G décrit l’arc AB, l’aire délimitée par (C) dans ce mouvement engendre un corps dit «prismatique».

L’arc AB est dit ligne moyenne du corps prismatique, la distance horizontale des points A et B est dite portée de la pièce. On classe les corps prismatiques en diverses catégories suivant la forme de la ligne moyenne. Celle-ci peut être formée d’un seul segment de droite, horizontal, oblique ou vertical, d’un arc de courbe ou d’une ligne polygonale située dans un plan vertical ou horizontal, d’un arc de courbe ou d’une ligne polygonale gauche. Suivant la forme de la ligne moyenne, on parle de poutres, linteaux, arcs-boutants, poteaux, contreforts, colonnes, arcs, portiques...

Les corps à feuillet moyen plan . Les techniques du laminage ont permis la réalisation d’éléments dont deux dimensions sont du même ordre de grandeur, la troisième étant négligeable par rapport aux deux premières: les tôles. Le développement du béton armé a conduit les constructeurs à concevoir et à mettre en œuvre des pièces de construction présentant une forme semblable.

Là encore, le théoricien devait donner une définition précise de la forme géométrique des éléments ainsi obtenus: Soit une portion de surface (S), délimitée par une courbe (C) dite contour, cette courbe pouvant s’étendre à l’infini dans un nombre fini de directions. Soit un segment de droite mobile AA , normal à la portion de surface et coupé par cette dernière en son milieu I, la longueur du segment AA étant négligeable par rapport aux rayons de courbure en tout point à l’intérieur du contour (C). Si, en outre, la longueur AA varie lentement quand I décrit toute la portion de surface (S), le solide engendré par AA est dit «corps à feuillet moyen».

La portion de surface est le feuillet moyen. On range les corps à feuillet moyen en diverses catégories selon leur forme. Ils peuvent être constitués d’une seule portion de plan horizontal (dalle plane), vertical (voiles, cloisons); d’une portion de surface réglée ou non (voile cylindrique si la surface est un cylindre); d’une suite de portions de plan, chaque portion ne présentant d’intersection qu’avec la précédente et la suivante (voiles plissées); d’une surface polyédrique.

Classification d’après le mode de fonctionnement

Par mode de fonctionnement d’une pièce de construction, il faut entendre le rôle principal pour lequel cette pièce est conçue. Toutefois, la pièce peut être soumise de façon secondaire à d’autres types de sollicitations, dont la prise en considération, en vérification complémentaire, ne modifie pas les cotes exigées par la sollicitation principale.

Certaines pièces de construction peuvent être dénombrées de façons différentes, bien qu’étant de même forme et assumant les mêmes fonctions. Les différents vocables qui les désignent dépendent soit du matériau (maçonnerie, béton armé, béton non armé, charpente métallique, fonte, serrurerie, charpente bois), soit de leur importance ou de leur fonction.

Le mode de fonctionnement permet de classer les pièces en diverses catégories selon qu’elles sont soumises à la traction (chaînages, câbles, voiles minces); à la compression (butons, poteaux, piles, colonnes); à la flexion (linteaux, poutres, entretoises, consoles, contreforts); à la flexion composée, cumul d’une flexion et d’une traction ou d’une compression (traverses de portiques, arcs-boutants, arbalétriers, arcs, voiles polyédriques); à la torsion pure ou composée, cumul d’une torsion pure et d’une flexion (poutres courbes, planes ou gauches); à des forces contenues dans le plan du feuillet moyen et appliquées sur le contour ou à l’intérieur (poutre-cloison dont la hauteur est comparable à la portée).

Il devient impossible, en général, de parler de l’une des quelconques sollicitations ci-dessus pour les corps dont aucune des trois dimensions n’est négligeable devant les autres. Ces corps peuvent être calculés soit par la théorie mathématique de l’élasticité, soit en faisant appel à des méthodes approchées basées sur des schémas hypothétiques de fonctionnement (arcs de décharge ou bielles fictives par exemple). Ces méthodes doivent être confirmées par des expériences de laboratoire ou consacrées par la pratique. Parmi les pièces de construction de ce type peuvent être citées les semelles filantes superficielles, les semelles isolées superficielles, les semelles sur pieux, les consoles courtes et corbeaux, les sommiers, les murs porteurs sur appuis solides et isolés. Dans cette dernière énumération, les pièces de construction sont le plus souvent calculées en admettant l’existence de bielles fictives. Enfin, les murs porteurs sur appuis isolés sont calculés en admettant la formation d’un arc de décharge fictif à l’intérieur de la pièce. L’emploi de l’ordinateur permet aujourd’hui de calculer les contraintes et les déformations d’un corps à trois dimensions au moyen de la méthode des éléments finis.

Assemblages

Il est rare qu’une pièce de construction soit employée isolément. Elle est pratiquement toujours assemblée avec d’autres pièces. Les zones d’assemblage sont étudiées en second lieu, après détermination des cotes des pièces.

Lorsque deux pièces sont assemblées, on dit qu’il a été réalisé une liaison entre elles. Les types de liaison les plus courants sont l’appui simple, l’articulation ou encore l’encastrement.

L’appui simple consiste en une simple juxtaposition des pièces (par exemple, une poutre en bois appuyée en ses extrémités sur des maçonneries). Cette liaison subsiste tant que les forces appliquées maintiennent le contact entre elles et les pièces qui peuvent dans certaines conditions être désolidarisées. Dans l’articulation, l’une des pièces peut tourner autour d’un axe fixe par rapport à l’autre. Dans l’encastrement, les deux pièces ont en commun un élément de surface qu’on peut considérer comme appartenant à l’une ou à l’autre. Chacune des pièces est donc fixe par rapport à l’autre (aux déformations élastiques près). La réalisation des assemblages fait appel à divers procédés: transmission directe, juxtapositions de constructions, élaborations simultanées des pièces.

Assemblage par transmission directe

Les deux pièces assemblées par transmission directe sont en contact suivant une surface. Les forces appliquées à l’une d’elles sont transmises à l’autre par cette surface. C’est le cas des maçonneries, des entures de pièces de bois, etc. Si bien dressées que soient les surfaces en contact, elles portent plus ou moins bien. Il en résulte des concentrations d’efforts préjudiciables à la bonne tenue des matériaux. Il est donc nécessaire de se montrer circonspect quant aux contraintes à admettre pour ceux-ci. Parfois même il est nécessaire d’interposer entre les pièces un matelas plastique à l’effet d’obtenir une portée uniforme sur toute la surface de contact en épousant les défauts de planéité. On peut citer les mortiers de ciment, les mortiers de chaux, les mortiers bâtards, les coulis de plâtre, les feuilles de plomb et les plaques de néoprène.

Assemblage par juxtaposition

Dans l’assemblage par juxtaposition, les pièces sont appliquées les unes contre les autres. La transmission des efforts ne peut se faire sans l’intervention d’un matériau complémentaire. L’assemblage est mécanique ou physico-chimique.

Les assemblages mécaniques , très nombreux, sont caractérisés par la nature des organes d’assemblage. Parmi ces derniers, on distingue les chevilles en fer ou en bois, les boulons, les clous ou pointes, les broches, les rivets, les aiguilles, les câbles de précontrainte. Dans certains cas, et notamment pour les charpentes en bois, il peut être adjoint aux organes d’assemblage des organes complémentaires. Parmi ces derniers figurent les crampons, les anneaux, les goujons, les clefs ou clavettes (pour certains éléments de maçonnerie également), les goussets, les plates-bandes ou éclisses.

Les assemblages physico-chimiques emploient principalement la soudure. Le collage, déjà utilisé pour les charpentes en bois, est de plus en plus utilisé dans les charpentes métalliques.

Assemblage par élaboration simultanée des pièces de construction

C’est presque uniquement dans le domaine du béton armé que l’on a à considérer, en construction, des pièces réalisées simultanément par coulage dans un coffrage. Il en résulte que deux pièces de béton armé qui se croisent (poutre et poteau, nervure et poutre, etc.) coexistent en un même point de l’espace, puisqu’on ne peut pas dire si le béton du solide commun aux deux pièces appartient plus à l’une qu’à l’autre. Cette particularité appréciable du béton armé est désignée sous le nom de «monolithisme». Les assemblages de pièces de béton armé coulé sur place sont en général plus faciles à concevoir et à réaliser que pour les assemblages entre des matériaux ne présentant pas cette propriété. Pour tous, en effet, lorsque deux pièces viennent à se croiser, il faut nécessairement que l’une s’interrompe pour laisser passer l’autre.

La soudure en charpente métallique et le collage en charpente bois permettent cependant de rétablir, dans une certaine mesure et sous certaines conditions, une continuité de la matière qui s’apparente plus ou moins au monolithisme du béton armé.

Un exemple de structures fondamentales élémentaires: les murs porteurs

Toutes les pièces de construction, tous les types d’assemblages énumérés ci-dessus forment un langage qui permet à l’architecte de s’exprimer en «structure». De même que dans un texte on distingue des phrases, dans une structure globale considérée comme un ensemble de pièces de construction, il est possible de discerner des sous-ensembles fondamentaux qui forment chacun un tout susceptible d’être étudié intrinsèquement.

Les murs porteurs sont des structures porteuses verticales à feuillet moyen plan, parfois cylindrique. Dans ce dernier cas, les génératrices sont évidemment des droites verticales, soumises aux impératifs énoncés au début de cette étude. À côté de leur fonction porteuse, les murs assurent d’autres fonctions, de protection contre les agressions, et d’isolation phonique ou thermique; cette dernière a connu au cours des dernières années un développement considérable, dû aux impératifs d’économies d’énergie. Dans ce qui suit, on ne s’intéressera qu’à la stabilité des murs.

Sollicitations principales

Si l’on assimile une structure porteuse verticale à un solide isolé en équilibre, cette structure est soumise principalement à son poids propre, aux charges verticales, réparties ou isolées, dues à la couverture et aux divers planchers, et aux réactions dues au sol. Toutes ces charges sont considérées comme contenues dans le feuillet moyen. Toutefois, leur distribution est très loin d’être uniforme, même si les fondations sont réalisées par des semelles filantes superficielles. Ce phénomène a plusieurs raisons: la distribution des charges réparties ou isolées appliquées par la couverture et les planchers n’est pas uniforme; la présence fréquente de baies dévie les lignes de force et les concentre en divers endroits de la base du mur; l’hétérogénéité du sol engendre des variations de leur élasticité.

Le calcul est, en général, conduit comme si la réaction due au sol était uniforme et il permet de déterminer une contrainte moyenne sur le sol. À l’inégalité de distribution des charges appliquées et de la réaction du sol correspondent, dans le mur considéré, des sollicitations secondaires.

Sollicitations secondaires

Les sollicitations secondaires sont de deux types, selon qu’elles sont ou non comprises dans le feuillet moyen (action du vent, des séismes, poussées des terres, action horizontale d’une charpente ou d’une voûte). Le cas le plus fréquent est celui de forces horizontales normales au feuillet moyen (pression due au vent). Quand une force n’est plus comprise dans le feuillet moyen, elle se décompose en trois forces: l’une verticale dans le plan du mur, la deuxième horizontale dans le feuillet moyen, la troisième normale au feuillet moyen.

Certaines sollicitations exceptionnelles échappent à toute tentative de classification et font toujours l’objet d’une étude spéciale. Cependant il s’agit le plus souvent d’une force verticale de soulèvement (soulèvement d’une couverture sous l’action du vent, soulèvement d’une poutre prenant appui sur le mur). Il peut s’agir aussi de l’encastrement d’une console dans le mur.

Sollicitations principales et conception d’un mur

Les sollicitations principales font apparaître dans le mur des contraintes de compression verticales, exercées par conséquent sur des sections horizontales. Dans la majorité des cas, le choix du matériau découle de l’observance de divers impératifs. La contrainte maximale admissible est donc connue. L’épaisseur du mur en résulte. Les murs sont ordinairement réalisés à l’aide de matériaux formés d’éléments soit juxtaposés (parfois préfabriqués), soit coulés dans des coffrages ou banches (murs en béton).

Les éléments juxtaposés sont:

– les pierres sèches: ces maçonneries sans mortier sont encore utilisées pour de petits murs dans certaines régions pauvres; elles furent très employées dans l’Antiquité, principalement par les Grecs qui avaient poussé cette technique à un haut degré de perfection; en certains cas, des feuilles de plomb disposées entre les assises assuraient une bonne distribution des contraintes;

– les pierres hourdées au mortier ou fichées au plâtre (pierre de taille, moellon, etc.); les silex hourdés au mortier (les rognons de silex sont utilisés très localement là où ils sont abondants, donc peu onéreux); les briques hourdées au ciment (pleines, creuses, à rupture de joint, apparentés ou non); les parpaings (ou agglomérés de ciment) hourdés au mortier; les parpaings de pouzzolane hourdés au mortier; les blocs de terre stabilisés par divers procédés, par exemple: briques d’argile séchées au soleil (improprement dites «cuites au soleil»), parpaings de terre stabilisés aux dérivés de pétrole; ces techniques, jadis fort développées, sont encore pratiquées dans les pays pauvres; ces blocs sont hourdés au mortier de terre;

– les blocs divers s’apparentent aux parpaings d’une préfabrication plus ou moins élaborée, et en général hourdés au mortier de ciment; toutefois un système de blocs préfabriqués posés à sec a été expérimenté.

Dans la préfabrication lourde, les murs construits en éléments préfabriqués se présentent sous la forme d’éléments de grandes dimensions, intéressant en général toute la hauteur d’un niveau, et pouvant atteindre horizontalement la dimension d’une pièce d’habitation. De tels éléments nécessitent l’emploi d’engins de levage puissants (grue, portique, etc.). En préfabrication légère, par contre, les murs sont réalisés par juxtaposition de petits éléments qui peuvent être transportés et mis en œuvre à la main, par un ou deux hommes.

Lorsque l’importance du poids propre et des charges appliquées, ainsi que la dimension des baies, ne permet plus de respecter la contrainte de compression maximale admissible par le matériau, il devient nécessaire de renforcer le mur localement par des éléments verticaux plus résistants. Les renforcements pourront être des poteaux en béton armé ou en acier. Cette circonstance peut se présenter de façon isolée (par exemple si le mur doit supporter en un point une poutre très chargée) ou bien, ce qui est le cas le plus fréquent, de façon systématique. Les renforts sont disposés suivant une trame plus ou moins régulière. Il faut alors assurer à chaque plancher la transmission des charges de ce dernier aux poteaux à l’aide de poutres. Le matériau du mur peut n’avoir plus le rôle porteur et devenir un simple remplissage.

Lorsque les poteaux et poutres sont d’un même matériau (acier ou béton), ces pièces de construction étant non pas appuyées les unes sur les autres, mais assemblées par boulons, soudure, ou précontrainte, on dit que le mur présente une structure à ossature. Si cette ossature est en béton armé ou en bois, on pourra l’appeler pan de béton ou pan de bois. À la limite, le matériau de remplissage disparaît totalement, et la structure verticale porteuse se réduit à une trame de points porteurs. La partie supérieure des ouvertures (ou baies) est un point faible, car la portion du mur qui n’est plus soutenue, au-dessus de cette ouverture risque de se désolidariser du reste par fissuration et de tomber; d’où la nécessité de prévoir un renforcement local reportant les charges à droite et à gauche de la baie. Ce renforcement se fait par des pièces complémentaires: autrefois en forme de voûte, ces pièces sont aujourd’hui des poutres droites qui, selon leur importance, sont appelées linteaux ou filets. Lorsqu’une ouverture est une fenêtre, la partie du mur qui se trouve en dessous et qui n’a que peu de charges à porter constitue l’allège. Elle peut être moins épaisse que le reste du bâtiment et même être d’un matériau moins résistant, mais plus isolant pour compenser la diminution d’épaisseur. Souvent, la place ainsi libérée sert à placer les radiateurs ou les convecteurs.

Sollicitations secondaires et conception d’un mur

Il est rare qu’un mur puisse résister, sans dispositions spéciales, à des forces dont la ligne d’action n’est plus dans le feuillet moyen. Il faut pour cela que le mur soit de faible hauteur et que les forces ne soient pas trop importantes. Encore cela ne va-t-il pas sans entraîner une augmentation de l’épaisseur. Il est donc presque toujours nécessaire de contreventer le mur.

Dans le cas fréquent d’un mur de grande longueur, bordant un local unique et portant une couverture, si le mur ne peut être encastré dans le gros œuvre de la couverture, ou bien si cette dernière n’existe pas, il faut disposer, suivant les circonstances, des poteaux presque toujours en béton armé et encastrés à leur partie inférieure dans les fondations ou le plancher, ou bien des contreforts en maçonnerie. Si l’on peut encastrer des poteaux dans le gros œuvre de la couverture, ceux-ci seront soit articulés, soit encastrés à leur extrémité inférieure.

Si le mur borde divers locaux séparés entre eux, les volumes de ces derniers sont délimités par un cloisonnement en général perpendiculaire au mur considéré. Certaines de ces séparations peuvent être réalisées en matériaux résistants et d’une épaisseur suffisante pour servir de contrefort. Ces séparations, qui doivent présenter peu d’ouvertures, dûment fondées, prennent le nom de mur de refend.

Lorsque les refends sont trop espacés, la maçonnerie du mur ne suffit plus à assurer la transmission des efforts aux refends. Il est alors nécessaire de raidir le mur par une ou plusieurs poutres horizontales, dites poutres au vent, qui prennent appui sur le mur. Parfois, pour de grands murs, on doit prévoir, outre la ou les poutres au vent, des poteaux verticaux. Le mur est ainsi quadrillé par des éléments résistants, principaux et secondaires.

Si le mur porte des planchers, ceux-ci, pourvu qu’ils soient en béton, ou métalliques avec hourdis en maçonnerie, jouent très facilement le rôle de poutres au vent. Les refends ne sont pas nécessairement très nombreux (deux au minimum pour un pan de mur continu). Dans ce cas, un ou plusieurs autres murs peuvent être parallèles au mur considéré. Tous ces murs sont solidarisés horizontalement par le ou les planchers et sont, en général, à étudier ensemble.

S’il existe moins de deux refends, le ou les planchers considérés comme poutres au vent seront encastrés dans des poteaux de façon à former un portique. Certains poteaux peuvent faire partie du ou des murs considérés.

3. Industrialisation de la construction

Les règles de l’art, fondées sur le bon sens et l’expérience, ont permis, par simple tradition orale, de bâtir des structures aussi raffinées que les cathédrales gothiques ou les grandes voûtes en maçonnerie qui forment une part importante de nos ponts.

Peu à peu, cette tradition empirique a cédé la place à des calculs de plus en plus complexes, pour lesquels le recours à l’ordinateur s’avère presque indispensable. Il s’agit là d’une véritable révolution, qui modifie complètement les conditions de réalisation des projets: simplement utilisé à l’origine pour effectuer des calculs numériques, l’ordinateur tend de plus en plus vers une industrialisation des projets, grâce notamment à la conception assistée par ordinateur (C.A.O.), dont l’objet est d’enchaîner, en un seul programme, l’optimisation des dimensions d’une structure et son dessin au moyen d’une table traçante commandée directement par le calculateur électronique. L’automatisation a pénétré lentement, dans le domaine du génie civil, en raison de la très grande diversité des ouvrages qui, souvent, ne sont que des prototypes sans suite. Cependant le développement des logiciels a permis de réaliser une profonde transformation des conditions de travail des bureaux d’études.

La liaison entre le bureau d’études et le chantier est en général assurée par une équipe chargée des méthodes de construction: c’est elle qui exerce, par exemple, le choix entre le recours à la préfabrication de certains éléments, tels que poutres, planchers ou murs, et leur fabrication sur le site; c’est elle aussi qui décide du type de matériel adopté pour les coffrages, les manutentions, etc.

Sur le chantier, la tendance est de réduire autant que possible le nombre d’employés, en raison notamment des contraintes sociales et familiales engendrées par la vie itinérante des ouvriers et des cadres: souvent, le béton est commandé à une usine de béton prêt à l’emploi, et livré directement sur le site par des camions malaxeurs; les poutres métalliques sont le plus possible soudées en usine, et seulement assemblées sur le chantier par des boulons à haute résistance; les armatures du béton armé sont coupées à longueur et assemblées en usine, de façon à former de grandes ossatures transportées par camion et directement mises en place dans les coffrages.

Tous ces travaux, confiés à des entreprises sous-traitantes, diminuent la part propre à l’entreprise générale qui, traditionnellement, est celle qui réalise le gros œuvre. En fait, l’entrepreneur général joue encore un rôle prépondérant dans la construction, car il conserve la responsabilité de la coordination des travaux et de la qualité de l’ensemble de la construction.

Le contrôle de qualité ne doit pas être négligé, car, d’une part, c’est lui qui nourrit la réputation de l’entreprise, et, d’autre part, il permet d’éviter les malfaçons dont la réparation serait beaucoup plus onéreuse que le contrôle lui-même.

Il faut enfin mentionner les exigences de sécurité du travail, de plus en plus sévères, à juste titre; en effet, la profession du génie civil est l’une de celles où les accidents corporels sont, statistiquement, les plus nombreux, en raison souvent de la hauteur des ouvrages, de la fréquence des manutentions, et de la non-répétitivité des tâches, qui donne lieu à des conditions de travail très variées.

En conclusion, la profession du génie civil, quoique gardant son caractère varié, et dépendant dans une large mesure de qualités humaines, tend vers une industrialisation de plus en plus poussée, qui permettra, dans les années à venir, de construire à meilleur prix des ouvrages d’une plus grande qualité.

● Génie civil ensemble des techniques concernant les constructions civiles.

Encyclopédie Universelle. 2012.