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Digeste de la construction au Canada, 1976-01
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Les imprécisions dans la construction
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 171F
Les imprécisions dans la construction
Publié à l'origine en Janvier 1976 J.K. Latta
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.
Quand on combine deux ou plusieurs pièces manufacturées séparément, pour former un produit fini, il est bien évident que les pièces doivent posséder les tailles exactes. Une précision absolue n'est pas exigée et dans la plupart des cas on peut réparer les imprécisions d'usinage, en ménageant des espaces convenables entre les éléments constituants. On peut au besoin, remplir ces espaces s'ils ne sont pas trop grands, au moyen d'un moulage durcissable ou d'un matériau élastique. La question qui consiste à définir ce qui est «trop grand» et à déterminer jusqu'à quel point de tolérance on peut accepter ces écarts, demeure le noeud du problème. Dans les structures traditionnelles, on résolvait ce problème en fabriquant les pièces ou en les découpant aux mesures convenables sur le chantier. De nos jours, on fabrique davantage d'éléments constituants hors chantier. Cependant, ces éléments constituants ou ceux dans lesquels ils s'emboîtent, doivent fréquemment subir des modifications avant d'être mis en place. Ceci nous ramène aux débuts de la mécanique; on devait alors soi-même placer les éléments dans la machine. Le façonnage a maintenant atteint un degré de précision élevé qui permet d'assurer l'interchangeabilité des pièces, éliminant ainsi un long travail qui demandait une habileté considérable. En plus de réduire les prix, la machine a ouvert les portes à la fabrication en série. De même, si l'on pouvait mettre au point des méthodes de production plus adéquates dans le domaine de la construction des bâtiments, à la fois sur le chantier et à l'extérieur, on éviterait une perte considérable d'efforts et de matériaux.
Les imprécisions dans la construction du bâtiment proviennent des trois sources fondamentales suivantes: l'implantation, les dimensions d'un élément manufacturé et la mise en place de cet élément (y compris le travail sur le chantier). On trouve les valeurs possibles des imprécisions issues de ces sources aux tableaux I à VI.
L'implantation comprend l'établissement sur le chantier d'un système pratique de référence pour le contrôle de l'alignement et du niveau des éléments du bâtiment ainsi que la position de l'ouvrage indiquée sur le plan. Le degré de précision atteint, dépend du genre d'instrument de mesure et, en grande partie, de l'habileté et de la conscience de l'opérateur. L'usage
d'instruments simples comme les niveaux à alcool et les mètres de poche ne requiert aucune spécialisation particulière. Cependant, en ce qui concerne les instruments optiques et autres, plus précis, il importe que les opérateurs et aides qui s'en servent soient formés et compétents. Le galon en acier de 100 pi demeure normalement le meilleur instrument de mesure des dimensions linéaires, la précision des mesures dépendant de facteurs comme la pente, la flèche, la température et la tension. Si l'on exige un degré élevé de précision, on doit apporter les corrections qui tiennent compte de ces facteurs; mais, pourvu que le ruban soit soutenu dans le but d'éliminer la plupart des imprécisions attribuables à la flèche et qu'on évite les températures extrêmes, seules les corrections de la pente doivent généralement être apportées (tableau I).
Tableau I. Précision linéaire dimensionnelle Distance Précision
Jusqu'à 10 pi ±1/8 po De 10 à 100 pi ±1/4 po Plus de 100 pi Prorata
On emploie normalement trois méthodes pour tracer l'angle droit, qui est le plus fréquemment employé (la dernière méthode peut être utilisée pour tout angle). Le ruban d'acier permet de déterminer l'angle droit en construisant un triangle 3:4:5 ou de calculer la diagonale d'un rectangle dont on connaît les côtés. Cette méthode sert dans la construction de maisons et de petits bâtiments. La deuxième méthode, celle de la traditionnelle équerre d'arpenteur à réflexion, emploie des prismes ou des miroirs mais elle n'offre pas une précision suffisante pour la construction des bâtiments. En présumant un usage correct de la troisième méthode qui utilise le transit ou le théodolite, c'est le moyen le plus précis dans le traçage d'angles de n'importe quelle grandeur (tableau II).
Tableau II. Précision du tracé d'un angle droit
Méthode Précision
Galon en acier 2 min d'angle (±3/4 po pour 100 pi) Equerre optique 15 min d'angle (±5 po pour 100 pi) Transit
Vernier (gradué à 20 sec) 40 sec d'angle (±1/4 po pour 100 pi) Théodolite à lecture micro-optique
(microptic theodolite) (gradué à 20
sec et centrage optique) 20 sec d'angle (±1/8 po pour 100 pi)
Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la verticalité, selon la hauteur du bâtiment et le degré d'exposition au vent. On peut utiliser les plombs lourds pour les hauteurs allant jusqu'à 10 pi, et, moyennant certaines précautions comme l'immersion du plomb dans un liquide et la protection du fil contre le vent, pour les hauteurs allant jusqu'à 30 pi. Seuls les ouvrages entièrement abrités permettent un usage sans problème de ces plombs à des hauteurs supérieures. On utilise les transits pour mesurer la verticalité, soit en visant à distance et en examinant verticalement à l'aide du télescope l'élément qui doit être mis d'aplomb, soit en utilisant un repère. Dans les deux cas, on doit procéder soigneusement afin d'éviter les erreurs
imputables aux instruments. Les instruments d'optique utilisés pour établir la verticalité sont spécialement conçus pour remplir le même rôle que le transit. Les techniques sont identiques et l'on doit procéder avec le même soin. En plus de pouvoir servir à n'importe quelle hauteur, ces instruments procurent généralement une plus grande précision. On donne la précision de chaque méthode au tableau III.
Tableau III. Précision de la verticalité Méthode Précision Niveau à alcool ±1/4 po pour 10 pi Plomb (temps calme) ±1/8 po pour 10 pi Transit (plomb optique) ±1/8 po pour 100 pi Dispositif à plomb optique ±1/16 po pour 100 pi
On peut déterminer les dimensions verticales ou les niveaux au moyen de plusieurs méthodes dont les degrés de précision diffèrent (voir le tableau IV). Il est possible de transférer des niveaux sur des distances horizontales allant jusqu'à 20 pi en utilisant conjointement les niveaux à alcool et les raclettes. On peut employer les niveaux à eau légèrement plus précis que les niveaux à alcool pour des distances de 30 pi. Les niveaux optiques demeurent les méthodes les plus courantes pour mesurer les hauteurs de façon précise, mais il faut s'en méfier lorsque la distance excède 200 pi. De plus, à cause des imprécisions qui peuvent s'accumuler, on ne devrait pas s'en servir dans le transfert vertical des données de nivellement. Il est préférable d'utiliser un galon en acier pour mesurer la face d'une colonne ou d'un mur, à partir d'une borne-repère située à la base de la colonne.
Tableau IV. Précision du niveau Méthode Précision Niveau à alcool ±1/4 po pour 20 pi Niveau à eau ±1/8 po pour 30 pi Niveau optique ±1/8 po pour 200 pi(±1-1/4 po par mille)
Niveau précis ±1/16 po pour une seule visée(±1/4 po par mille)
Le facteur temps nuit fréquemment à la précision des mesures. Cependant, bien qu'elles nécessitent plus de temps, des techniques correctement appliquées peuvent limiter l'effet des imprécisions des instruments. Les conditions de travail comme un éclairage adéquat, peu de vent, des températures modérées et un temps sec devraient favoriser la réduction des erreurs de lecture. Lorsque le temps est mauvais et que l'on exige une grande précision, il est à conseiller de reporter le mesurage jusqu'à l'amélioration du temps. On doit vérifier tous les calculs et mesures effectués sur le chantier. S'il s'agit de mesures particulièrement importantes, une seconde personne devrait les vérifier en employant si possible une autre méthode comme par exemple en mesurant à partir d'une borne-repère ou d'un quadrillage différents.
On traite ici de méthodes normales de mesure à l'aide d'instruments classiques. Il est possible d'atteindre une précision bien supérieure grâce à des instruments modernes tels que les lasers.
Même si l'on utilise très peu ce moyen sauf pour le percement de tunnel et d'autres travaux de génie civil du même genre, une adaptation de ce moyen aux opérations de construction de bâtiments est en train de se faire.
Lorsqu'on a déterminé la position future d'une pièce, on doit tenir compte des imprécisions de la pièce elle-même, qu'elle ait été fabriquée ailleurs ou sur le chantier. Les pièces manufacturées dans des usines, dans des conditions relativement contrôlées, devraient offrir et offrent généralement un degré de précision supérieur à celles fabriquées sur le chantier. Et même dans ce cas, il existe généralement une différence souvent supérieure à celle prévue entre les dimensions actuelles et les dimensions prescrites.
Au cours des sept dernières années, deux études effectuées l'une en Angleterre, l'autre au Danemark, ont démontré que les écarts réels de dimensions des éléments de béton préfabriqué, étaient de deux à trois fois supérieurs aux tolérances prescrites. Les deux études traitaient des éléments préfabriqués destinés aux systèmes de construction, de sorte que la durée de la production en série a permis l'utilisation de moules de qualité et la création de systèmes de contrôle de la qualité. Les deux études ont démontré que l'on pouvait s'attendre à des écarts dans la largeur et la longueur des panneaux, allant jusqu'à ±3/8 po, et que la dimension globale allant jusqu'à 20 pi influençait très peu ces écarts. On peut comparer ceci avec la tolérance de 1/8 po ou de 3/16 po souvent prescrite pour une longueur de 10 pi.
Les chercheurs anglais ont aussi remarqué que les panneaux des façades étaient reliés entre eux au moyen de trous pratiqués dans la rive inférieure du panneau supérieur dans lesquels pénétraient des boulons saillants placés sur la rive supérieure du panneau inférieur. Il apparaissait que l'écart maximal probable de la position des trous était de 5/16 po longitudinalement et de 1/4 po transversalement. Comme la position de ces trous nuisait à la précision de l'assemblage, on a déduit que les écarts s'étaient produits en dépit des sérieux efforts déployés pour minimiser l'imprécision.
Si de semblables imprécisions se produisent dans le cas des panneaux fabriqués en usine, qu'en est-il des articles fabriquées sur place? Fait peut-être étonnant, on ne dispose malheureusement pas assez souvent de renseignements adéquats sur la question. Il n'en existe que dans les cas où l'on a eu recours à une importante fabrication hors chantier des principaux éléments et à une utilisation des systèmes de construction industrialisés. La technique artisanale qui consiste à découper et ajuster sur place a prouvé qu'elle pouvait résoudre ce problème de façon satisfaisante. Cette situation ressemble étrangement à celle qui existait dans le domaine du génie mécanique avant le développement des techniques modernes.
En 1962, l'American Concrete Institute a formé un comité (n° 117) chargé d'étudier le problème des tolérances dans la construction du bâtiment. Après avoir découvert que les données relatives à ce sujet en fait n'existaient pas, les membres ont choisi un bâtiment d'une qualité de construction supérieure puis en ont mesuré certaines parties afin de déterminer, entre autres choses, les variations d'emplacement des colonnes. On donne quelques-unes de leurs constatations au tableau V.
Tableau V. Renseignements du comité ACI concernant la position des colonnes de béton préfabriqué
Ecarts de position de la colonne Normal Maximal Colonne par rapport à sa ligne ±1 po ±2 po Espace entre les lignes parallèles de colonnes ±1 po ±2 po
Depuis quelques années, la Division a eu l'occasion de mesurer la largeur des joints situés entre les panneaux de béton préfabriqué d'une largeur de 25 pi de la façade de six des trente étages d'un bâtiment. On peut voir d'après les résultats donnés au tableau VI, de cette étude réalisée en une seule série de mesures que les largeurs des joints variaient de zéro ou presque zéro à 3/4 po; une variation de ±3/8 po par rapport à la grandeur prescrite du joint, soit 3/8 po.
Tableau VI. Largeurs de joint de six des trente étages d'un bâtiment Largeur de joint, po Nombre de joints
0-1/8 3 1/8-1/4 17 1/4-3/8 42 3/8-1/2 24 1/2-5/8 7 5/8-3/4 3
Nombre total des joints mesurés = 96
Lorsqu'on a déterminé toutes les imprécisions qui nuisent à l'ajustage des éléments constituants on doit combiner ces imprécisions de manière à former une variation globale à laquelle le joint devra s'ajuster. Si l'on doit, dans le pire cas du genre, évaluer les écarts tolérés de chaque dimension, le joint dépassera peut-être la largeur permise. Il demeure très improbable cependant qu'un élément constituant quel qu'il soit, puisse comporter toutes les imprécisions issues de différentes sources, à un degré maximal dans la même direction. En calculant la tolérance totale, on devrait prévoir un certain degré de probabilité. Il faut s'attendre en procédant ainsi, à ce que certains cas surviennent où même si les écarts individuels demeurent dans les limites prescrites, on ne puisse obtenir l'ajustement désiré. Dans ces cas, il sera nécessaire de choisir des éléments ou découper et ajuster sur le chantier mais les cas occasionnels du genre sont probablement préférables aux joints ultra-grands. On peut combiner les tolérances qui se produisent indépendamment dans les éléments constituants individuels en une tolérance globale, en calculant la racine carrée de la somme des carrés des valeurs individuelles.
où TD= la tolérance globale dans une direction
et
ta, tb, tc... = les tolérances ou imprécisions issues de différentes sources.
On peut se servir de la même méthode statistique dans le cas d'une série d'éléments constituants si l'on désire calculer l'effet combiné des tolérances sur les éléments constituants individuels:
où TD0= l'effet combiné des tolérances sur les éléments constituants individuels, et
Cette méthode de calcul ne tient pas compte du fait qu'en pratique, l'effet des imprécisions de manufacture peut être partiellement réparé lors de l'érection du bâtiment; par exemple, le plomb ajusté pour compenser l'effet de la saillie. On ne peut utiliser cette méthode que pour compenser les imprécisions occasionnelles imputables à l'incapacité humaine de construire quoi que ce soit ayant les dimensions exactes. Les variations dimensionnelles dues aux mouvements provoqués par la chaleur ou l'humidité à la suite des changements de condition doivent être évaluées indépendamment et additionnées arithmétiquement pour chaque genre de conditions. Conclusion
Sans vouloir critiquer l'industrie de la construction, on peut probablement dire qu'en général, cette dernière atteint rarement en pratique le degré de précision prévu. Ceci implique avant tout la nécessité d'une prise de conscience plus réaliste de la situation, de la part des concepteurs, des rédacteurs de devis et des constructeurs. Les concepteurs devront peut-être accepter le niveau actuel d'imprécision comme un fait acquis et concevoir chaque partie du bâtiment de façon à ce que l'on puisse s'accommoder des erreurs tout en évitant les mesures de réparations coûteuses et longues sur le chantier. Un ouvrage qui demande une précision supérieure à celle qu'on peut normalement obtenir, entraînera inévitablement plus de problèmes lors de la construction. Les rédacteurs de devis devraient alors éviter d'imposer des tolérances trop difficiles qui n'amèneront qu'un trop grand nombre de rejets ou des discussions prolongées. Les constructeurs devraient en retour réviser leurs pratiques actuelles afin de minimiser les imprécisions. Si l'on parvenait à éliminer les erreurs élémentaires ou même seulement à les détecter très tôt, bien des travaux se dérouleraient mieux et dans des conditions moins difficiles.
