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Digeste de la construction au Canada, 1973-07
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Problèmes causés par les parements dus aux mouvements de
charpente
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 125F
Problèmes causés par les parements
dus aux mouvements de charpente
Publié à l'origine en juillet 1973W.G. Plewes
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Les problèmes que posent les parements sont fréquemment dûs aux mouvements des charpentes en béton des bâtiments. Ces mouvements sont eux-mêmes causés par le fluage et le retrait. On ignore souvent l'existence de ces phénomènes nuisibles. Si la déformation des charpentes est souvent à l'origine du processus, il est cependant difficile d'établir un diagnostic certain. La situation est, en effet, souvent aggravée par le mode d'exécution, les matériaux, l'humidité, la température et le type de conception architecturale.
Le CBD 119F a étudié, à titre de phénomènes naturels, les mécanismes physiques et chimiques qui interviennent dans le fluage et le retrait. L'objet du présent Digest est de souligner les effets qu'ils exercent sur les parements.
Même aux yeux de concepteurs expérimentés, dont les projets sont étudiés avec le soin le plus méticuleux, les effets nuisibles exercés par le fluage et le retrait sur les parements se présentent souvent comme un problème nouveau. Diverses raisons expliquent cette situation. a. Il est presque certain que ces deux phénomènes engendrent des difficultés depuis plusieurs décennies. Leur mode d'action est cependant demeuré mal connu. La majorité de nos connaissances sur le fluage et, dans une certaine mesure, sur le retrait, résulte de recherches dont la plupart ont été exécutées au cours des vingt dernières années. On a, de ce fait, attribué au "tassement des bâtiments" presque tous les dégâts dûs au fluage et au retrait.
b. On avait tendance, dans le passé, à construire les bâtiments sur un modèle stéréotypé; dans le cas des constructions en béton armé, en particulier, on utilisait essentiellement des poutres lourdes, simples ou composées. Les bâtiments modernes sont, en général, beaucoup plus hauts qu'autrefois, les portées y sont, en outre, plus longues. Grâce à l'emploi de matériaux plus résistants, et du fait d'un meilleur contrôle de qualité, on tolère aujourd'hui des contraintes nettement plus importantes qu'autrefois; les éléments de charpente sont ainsi à la fois plus minces et plus flexibles. Accompagnés ou non de tympans légers, les semelles plates et les porte-à-faux sont aujourd'hui communs. Rien n'a incité les concepteurs qui ne disposaient pas
d'expériences antérieures à se méfier des effets nuisibles du fluage et du retrait sur les parements.
c. L'emploi de nouveaux matériaux de parement a engendré des problèmes que seule l'expérience pouvait révéler. Dans les anciens bâtiments, les panneaux-façades épais en maçonnerie
constituaient presque une charpente à eux seuls et suffisaient, dans de nombreux cas, pour résister aux forces qui s'exerçaient. Jointe à la réduction des épaisseurs de murs et à
l'augmentation de la dureté des matériaux finis et des mortiers, l'absence de cornières de moise a contribué à engendrer des difficultés. Les nouveaux types de parements, panneaux
préfabriqués par exemple, ne sont couramment employés que depuis une époque relativement récente. Les dérangements dûs aux mouvements des charpentes commencent seulement à se révéler.
d. Enfin, et là réside la cause la plus importante, les recherches fondamentales exécutées sur le fluage et le retrait n'ont porté que sur de petits échantillons de laboratoire examinés sous des conditions déterminées. Le fluage et le retrait dépendent en fait tous deux du rapport volume-surface, du pourcentage d'armatures, de l'ancienneté de la charge, des successions de charge et de l'humidité relative de l'ambiance. Aussi l'application aux charpentes des résultats d'essais effectués sur de petits échantillons de laboratoire est-elle difficile. Le domaine des effets
observés varie grandement d'une charpente à une autre. C'est seulement au cours des dernières années, et même à l'époque actuelle, qu'on a traduit les résultats des recherches en méthodes pratiques permettant de prédire les manifestations de fluage et de retrait auxquelles on peut s'attendre sur bâtiments réels (1,2).
Effets Typiques
Il se peut, à titre d'exemple-type, qu'une colonne haut de 10 pieds, ayant une section carrée de 12 pouces, et ne contenant aucune armature d'acier, raccourcisse d'environ 0.05 pouce du fait du retrait et du fluage. Si l'on ajoute une armature d'acier de 4 pour cent dans le sens de la longueur, la restriction de mouvement imposée par l'acier réduira ce chiffre à 0.025 pouce environ. La mise sous charge avant un délai de 28 jours, le fait de doubler ou de diminuer de moitié les dimensions de la colonne ou une variation de l'humidité relative ambiante, peuvent diminuer de moitié, ou, au contraire, doubler le chiffre précédent.
Il est évident que, même dans le cas d'un bâtiment de hauteur modeste (60 pieds), le total des raccourcissements de la charpente pourrait n'atteindre que 0.10 pouce, ou, au contraire, excéder 0.6 pouce. Si, de toute manière, un parement rigide est immuablement fixé à la charpente, une action de cisaillement intervenant entre le parement et la charpente lui imposent une forte charge. Les variations de température superficielle de la paroi extérieure peuvent, en outre, aggraver la situation.
Le retrait et le fluage ne sont pas unidimensionnels. Le retrait peut agir sur trois dimensions. Le fluage, d'autre part, affecte profondément le fléchissement d'éléments de travée tels que poutre périphérique (voir CBD 54F). Il n'est pas possible d'énoncer des règles simples permettant de prédire le comportement de toutes les dispositions architecturales. 11 peut cependant être utile d'examiner quelques cas connus de manière à mettre en évidence les effets possibles.
Exemple 1. La situation représentée par la Figure 1 correspond peut-être au cas le plus simple
de l'étude qui suit. Des colonnes de béton sont revêtues d'un placage de céramique, épais d'un pouce, et de qualité supérieure. On a strié les dos des panneaux et on a muni de rainures les faces des colonnes de béton de sorte que le coulis versé dans l'espace existant entre ces surfaces créait un liaisonnement ferme entre panneaux et colonnes. Après la fin des travaux de construction du bâtiment, il s'est produit, le long des joints horizontaux, un très important effritement de la face ayant reçu la glaçure. Les mesures de contrainte effectuées sur les lieux ont montré qu'il existait dans le placage une tension d'au moins 3,000 lpc; elle était due au raccourcissement de la colonne produit par fluage et retrait. Il est surprenant que les dommages aient affecté un prolongement d'une construction presque identique existant depuis environ trente ans et qui n'a pas souffert du même inconvénient. La seule différence existant
entre les deux constructions résidait dans le fait que l'on avait liaisonné les joints de la nouvelle construction avec un mortier extrêmement dur jusqu'à une profondeur d'un quart de pouce. Le résultat de cette disposition avait été de concentrer la tension existant dans le placage sur une bande rigide d'un quart de pouce le long de la surface du joint. L'effritement mentionné en était résulté. Il se peut également que l'exécution relativement lente des travaux de construction tels qu'on les concevait autrefois ait atténué les effets des phénomènes: des retraits et des fluages plus importants que dans le cas présent ont ainsi pu se produire avant pose du placage.
Figure 1. Effritement d'un placage de céramique dû au raccourcissement de la colonne.
Exemple 2. Dans un autre bâtiment examiné par DBR/NRC, les baies existant entre dalles de
plancher et colonnes d'un immeuble à appartements de dix étages avaient été comblées au moyen de panneaux muraux construits en blocs de béton. Le panneau frontal de parement, en briques argileuses, était liaisonné au mur en blocs de béton au moyen de boutisses de maçonnerie; il s'étendait d'une manière continue à l'extérieur de la ligne frontale des colonnes sur la totalité des dix étages, sauf toutefois aux endroits où les panneaux de parement étaient complètement en saillie hors de la fondation et se terminaient, au niveau de celle-ci, sur une plaque de moise épaisse de 3/16 de pouce. Les retraits de la charpente et des murs en blocs de béton ne pouvaient être absorbés ni par les parements relativement rigides et non sujets à retrait, ni par les connexions rigides de boutisses. L'action différentielle de cisaillement due à cette situation a engendré la ruine soudaine d'une section du parement de briques haute de deux étages, cisaillant toutes les briques de boutisse et courbant la plaque de moise. On a dû remplacer la totalité du parement. Copeland (3), étudie des détails semblables susceptibles de causer des craquelures, des effritements, et des fentes de parois de parement à cause d'une liaison trop rigide à la charpente.
Exemple 3. Le parement du premier étage d'un édifice pour bureaux de huit étages consistait
en dalles de granit épaisses de 4 pouces; celui des autres étages était réalisé en dalles de calcaire supportées par cornières de moise à chaque niveau de plancher (Figure 2). Les dalles de granit étaient fixées au dos du terra-cotta au moyen de bandes plates et de goujons. Après quelques années d'occupation du bâtiment, les dalles de granit s'étaient déplacées vers l'extérieur d'environ ¾ de pouce. Avant qu'on n'ait pu remédier à cette situation, deux des dalles accusèrent soudainement un bombement d'environ 2 pouces. Les recherches révélèrent qu'un raccourcissement de la charpente, provoqué par fluage et retrait, avait fortement chargé le revêtement du bâtiment et finalement causé le voilement. On peut également observer autour du bâtiment sous forme de craquelures et de rotations de nombreux signes de raccourcissement.
Figure 2. Flambage d'un placage de pierre dû au fluage et au retrait de la charpente.
Exemple 4. L'effet du retrait et du fluage n'est pas limité au raccourcissement vertical de
colonnes. Il existe des preuves solidement documentées du fait que, sous charge de longue durée, les flexions de dalles et de poutres engendrées par le fluage peuvent atteindre 2½ à 3 fois la flexion élastique qui se produit lors de la première application de la charge. Les charges vives étant généralement légères et de courte durée, c'est la flexion de charge morte qui prédomine ordinairement dans ce type de situation. Dans un bâtiment de neuf étages ne possédant pas de poutres périphérique au bord des dalles de plancher, la flexion du bord a provoqué, dans les murs en panneaux de maçonnerie et au centre de chaque panneau de baie, la naissance de craquelures verticales d'un seizième de pouce. Provoquées par le fléchissement des dalles, des craquelures semblables mais horizontales sont apparues à chaque niveau de plancher.
Le retrait peut agir dans une direction quelconque. Le retrait horizontal a ouvert une craquelure verticale, sur toute la longueur du bâtiment, aux murs terminaux de changement de direction. Ce type de dégât est fréquent en pareil cas. Ces craquelures ont provoqué l'entrée massive d'eau dans le bâtiment lors de tous les orages accompagnés de pluie fouettante.
Exemple 5. Les panneaux muraux en béton préfabriqué ne sont pas exempts de difficultés de
cette nature si l'on a négligé le fluage lors du calcul des fléchissements des poutres et des dalles. Considérons, par exemple, dans une baie-type, une série de cinq panneaux suspendus, maintenus, à partir du poutre périphérique supérieur, par deux points de support (Figure 3(a)). Si le poutre périphérique fléchit d'une manière excessive sous la charge morte du mur et de la dalle, les panneaux auront tendance à s'étendre en éventail comme le montre (non sans quelque exagération) la Figure 3(b). Cet accident ne peut survenir en pratique; les réactions des panneaux des baies adjacentes, les connexions des parties inférieures, ou l'installation de goujons à la partie inférieure, empêchent, en effet, sa production. Toute force s'opposant aux accidents maintient le panneau à proximité de son alignement vertical. Comme le montre la Figure 3(c) cependant, les montants des panneaux auront une tendance à ses courber ou se gauchir et à engendrer des couples de torsion aux liaisons supérieures. Ces couples résisteront à la tendance de la poutre périphérique ou fléchissement; aussi peut-il arriver qu'on n'ait conscience ni de la flexibilité excessive des poutres périphériques, ni des tensions auxquelles les panneaux sont soumis.
Figure 3. Contraintes imposées sur parement en panneaux dues au fléchissement de la poutre périphérique.
Dans un cas de cette nature, les craquelures qui se sont produites dans les montants de panneaux ont donné naissance à un mécanisme semblable. (Voir A et B, Figure 3(c)). Lors de fortes pluies, l'humidité a même pu pénétrer dans les craquelures des panneaux avant que la construction du bâtiment ne soit achevée. Une liaison centrale unique permettrait aux panneaux de pendre toujours verticalement à condition que l'espace libre représenté sur la Figure 3(d) soit suffisant et exempt d'obstructions. Ce bâtiment comportait des liaisons centrales, mais l'application de mortier dans les joints a réduit à néant les avantages qu'elles auraient pu procurer. C'est ce que montre la Figure 3(e). Des cales d'épaisseur laissées en place par erreur entraîneraient également l'existence de points de réactions indésirables.
Mesures Préventives
Les descriptions qui précèdent ne portent que sur quelques-uns des nombreux cas ayant fait l'objet de recherches de la part de la Division. Elles laissent pressentir la grande variété des effets qui peuvent se présenter. Aussi est-il nécessaire que les bureaux d'étude prennent, lors de l'exécution des plans d'un bâtiment, des mesures préventives de nature à éviter de semblables incidents. Il importe, avant tout, que les concepteurs utilisent les informations aujourd'hui disponibles dans la littérature technique (1, 2) et évaluent le fluage et le retrait à prévoir. Une évaluation, même approchée, est préférable à l'absence complète de considération du problème. Ce travail étant effectué, seule subsiste la question de composition architecturale. En vue d'éviter la production de défauts à la fois déplaisants et coûteux, on pourra utiliser, au choix, des éléments plus rigides de travées, des liaisons flexibles, des calfeutrages non rigides,
ou des joints libres. Il pourra aussi être avantageux de choisir des matériaux et des proportions d'ingrédients du béton présentant des retraits et des fluages inférieurs à la moyenne.
Références
1. Branson Den. E. Design Procedures for Computing Deflections. J. Amer. Concrete Inst., Vol. 65, No. 9, Sept. 1968, p. 730-742.
2. Fintel M. et F. R. Khan. Effects of Column Creep and Shrinkage in Tall Structures -- Prediction of Inelastic Column Shortening. J. Amer. Concrete Inst., Vol. 66, No. 12, Déc. 1969, p. 957-967. 3. Copeland R. E. Flexible Anchorage of Masonry Walls. Concrete Products, Vol. 71, No. 7, Juillet
