Barres d'armature

Les barres d'armature (abréviation de barre d'armature ), connues sous le nom d'acier d'armature ou d'armature en acier , sont un dispositif de tension ajouté au béton pour former des structures en béton armé et en maçonnerie renforcée afin de renforcer et d'aider le béton sous tension. Le béton est résistant à la compression , mais a une faible résistance à la traction . Les barres d'armature sont généralement constituées de barres d'acier qui augmentent considérablement la résistance à la traction de la structure. Les surfaces des barres d'armature présentent une série continue de nervures, de pattes ou d'indentations pour favoriser une meilleure liaison avec le béton et réduire le risque de glissement.

Le type de barre d'armature le plus courant est l'acier au carbone , généralement constitué de barres rondes laminées à chaud avec des motifs de déformation gravés sur sa surface. L'acier et le béton ont des coefficients de dilatation thermique similaires , de sorte qu'un élément structurel en béton renforcé par de l'acier subira une contrainte différentielle minimale lorsque la température change.

D'autres types de barres d'armature facilement disponibles sont fabriqués en acier inoxydable et en barres composites en fibre de verre , en fibre de carbone ou en fibre de basalte . Les barres d'armature en acier au carbone peuvent également être revêtues de zinc ou d'une résine époxy conçue pour résister aux effets de la corrosion, en particulier lorsqu'elles sont utilisées dans des environnements d'eau salée. Le bambou s'est avéré être une alternative viable à l'acier d'armature dans la construction en béton. Ces types alternatifs ont tendance à être plus chers ou peuvent avoir des propriétés mécaniques moindres et sont donc plus souvent utilisés dans la construction spécialisée où leurs caractéristiques physiques répondent à une exigence de performance spécifique que l'acier au carbone ne fournit pas.

Les barres d'armature dans la construction de maçonnerie sont utilisées depuis l'Antiquité , Rome utilisant des tiges de fer ou de bois dans la construction d'arches . Les tirants en fer et les plaques d'ancrage ont ensuite été utilisés dans toute l'Europe médiévale , comme dispositif pour renforcer les arcs, les voûtes et les coupoles . 2 500 mètres de barres d'armature ont été utilisés au 14e siècle au château de Vincennes .

Au XVIIIe siècle, des barres d'armature ont été utilisées pour former la carcasse de la tour penchée de Nevyansk en Russie, construite sur ordre de l'industriel Akinfiy Demidov . La fonte utilisée pour les barres d'armature était de haute qualité, et il n'y a aucune corrosion sur les barres à ce jour. La carcasse de la tour était reliée à son toit en tente de fonte , couronné par l'un des premiers paratonnerres connus .

Cependant, ce n'est qu'au milieu du XIXe siècle, avec l'incorporation de barres d'acier dans le béton (produisant ainsi le béton armé moderne ), que les barres d'armature ont montré leurs plus grandes forces. Plusieurs personnes en Europe et en Amérique du Nord ont développé le béton armé dans les années 1850. Parmi eux, Joseph-Louis Lambot de France, qui a construit des bateaux en béton armé à Paris (1854) et Thaddeus Hyatt des États-Unis, qui a produit et testé des poutres en béton armé. Joseph Monier de France est l'une des figures les plus remarquables pour l'invention et la popularisation du béton armé. En tant que jardinier français, Monier a breveté des pots de fleurs en béton armé en 1867, avant de procéder à la construction de réservoirs d'eau et de ponts en béton armé.

Ernest L. Ransome , un ingénieur et architecte anglais qui a travaillé aux États-Unis, a contribué de manière significative au développement des barres d'armature dans la construction en béton. Il a inventé les barres d'armature en fer torsadé, auxquelles il a d'abord pensé lors de la conception des trottoirs autoportants pour le Masonic Hall de Stockton, en Californie. Ses barres d'armature torsadées n'ont cependant pas été initialement appréciées et ont même été ridiculisées à la Technical Society of California, où les membres ont déclaré que la torsion affaiblirait le fer. En 1889, Ransome a travaillé sur la côte ouest, principalement à la conception de ponts. L'un d'entre eux, le pont du lac Alvord dans le Golden Gate Park de San Francisco, a été le premier pont en béton armé construit aux États-Unis. Il a utilisé des barres d'armature torsadées dans cette structure.

Au même moment, Ransome inventait les barres d'armature en acier torsadées, CAP Turner concevait son « système champignon » de dalles de béton armé avec des tiges rondes lisses et Julius Kahn expérimentait une barre d'armature innovante en forme de diamant laminé avec des brides plates inclinées vers le haut à 45° (brevetée en 1902). Kahn prévoyait que les poutres en béton avec ce système de renforcement se plieraient comme une ferme Warren , et considérait également cette barre d'armature comme un renforcement de cisaillement. Le système de renforcement de Kahn était construit à partir de poutres, de solives et de colonnes en béton.

Le système a été à la fois loué et critiqué par les ingénieurs contemporains de Kahn : Turner a émis de fortes objections à ce système car il pourrait provoquer une défaillance catastrophique des structures en béton. Il a rejeté l'idée que le système de renforcement des poutres en béton de Kahn agirait comme une ferme Warren et a également noté que ce système ne fournirait pas la quantité adéquate de renforcement de contrainte de cisaillement aux extrémités des poutres simplement appuyées, l'endroit où la contrainte de cisaillement est la plus élevée. De plus, Turner a averti que le système de Kahn pourrait entraîner une défaillance fragile car il n'avait pas de renforcement longitudinal dans les poutres des colonnes.

Ce type de défaillance s'est manifesté dans l'effondrement partiel de l'hôtel Bixby à Long Beach, en Californie, et dans l'effondrement total de l'immeuble Eastman Kodak à Rochester, dans l'État de New York, tous deux pendant la construction en 1906. On a cependant conclu que les deux défaillances étaient la conséquence d'une main-d'œuvre de mauvaise qualité. Avec l'augmentation de la demande de normalisation de la construction, les systèmes de renforcement innovants tels que celui de Kahn ont été mis de côté au profit des systèmes de renforcement du béton que l'on connaît aujourd'hui.

Les exigences relatives aux déformations des barres d'acier d'armature n'ont pas été normalisées dans la construction américaine avant 1950 environ. Les exigences modernes en matière de déformations ont été établies dans les « Spécifications provisoires pour les déformations des barres d'acier déformées pour le renforcement du béton », ASTM A305-47T. Par la suite, des modifications ont été apportées pour augmenter la hauteur des nervures et réduire l'espacement des nervures pour certaines tailles de barres, et la qualification de « provisoire » a été supprimée lorsque la norme mise à jour ASTM A305-49 a été publiée en 1949. Les exigences en matière de déformations trouvées dans les spécifications actuelles pour les barres d'acier d'armature, telles que ASTM A615 et ASTM A706, entre autres, sont les mêmes que celles spécifiées dans ASTM A305-49.

Le béton est un matériau très résistant à la compression , mais relativement faible à la traction . Pour compenser ce déséquilibre dans le comportement du béton, des barres d'armature sont coulées dans celui-ci pour supporter les charges de traction . La plupart des armatures en acier sont divisées en armatures primaires et secondaires :

• Le renforcement primaire fait référence à l'acier utilisé pour garantir la résistance nécessaire à la structure dans son ensemble pour supporter les charges de conception.
• Le renforcement secondaire , également connu sous le nom de renforcement de distribution ou de renforcement thermique, est utilisé pour des raisons de durabilité et d'esthétique, en fournissant une résistance localisée suffisante pour limiter les fissures et résister aux contraintes causées par des effets tels que les changements de température et le retrait.

Les applications secondaires comprennent les barres d'armature encastrées dans les murs de maçonnerie, qui comprennent à la fois des barres placées horizontalement dans un joint de mortier (tous les quatre ou cinq rangs de blocs) ou verticalement (dans les vides horizontaux des blocs de ciment et des briques creuses, qui sont ensuite fixées en place avec du coulis . Les structures de maçonnerie maintenues ensemble avec du coulis ont des propriétés similaires à celles du béton - une résistance à la compression élevée mais une capacité limitée à supporter des charges de traction. Lorsque des barres d'armature sont ajoutées, elles sont appelées « maçonnerie renforcée ».

Une approche similaire (qui consiste à intégrer des barres d'armature verticalement dans des vides conçus dans des blocs techniques) est également utilisée dans les murs paysagers posés à sec, en fixant au moins la rangée la plus basse en place dans le sol, également utilisée pour fixer la rangée la plus basse et/ou les hommes morts dans des murs en béton technique ou des attaches paysagères en bois.

Dans des cas inhabituels, des armatures en acier peuvent être encastrées et partiellement exposées, comme dans les barres d'armature en acier qui contraignent et renforcent la maçonnerie de la tour Nevyansk ou des structures antiques de Rome et du Vatican.

L'acier a un coefficient de dilatation thermique presque égal à celui du béton moderne . Si ce n'était pas le cas, il poserait des problèmes en raison de contraintes longitudinales et perpendiculaires supplémentaires à des températures différentes de la température de prise. Bien que les barres d'armature soient dotées de nervures qui les lient mécaniquement au béton, elles peuvent toujours être arrachées du béton sous de fortes contraintes, un phénomène qui accompagne souvent un effondrement à grande échelle de la structure. Pour éviter une telle défaillance, les barres d'armature sont soit profondément encastrées dans les éléments structurels adjacents (40 à 60 fois le diamètre), soit pliées et accrochées aux extrémités pour les verrouiller autour du béton et des autres barres d'armature. Cette première approche augmente la friction qui maintient la barre en place, tandis que la seconde utilise la résistance à la compression élevée du béton.

Les barres d'armature courantes sont fabriquées en acier trempé brut , ce qui les rend sensibles à la rouille . Normalement, la couverture en béton est capable de fournir une valeur de pH supérieure à 12, évitant ainsi la réaction de corrosion . Une couverture en béton trop faible peut compromettre cette protection par carbonatation de la surface et pénétration du sel . Une couverture en béton trop importante peut provoquer des fissures plus larges, ce qui compromet également la protection locale. Comme la rouille occupe un volume plus important que l'acier à partir duquel elle a été formée, elle provoque une forte pression interne sur le béton environnant, entraînant des fissures, des écaillages et, finalement, une défaillance structurelle . Ce phénomène est connu sous le nom de levage d'oxyde .

Il s'agit d'un problème particulier lorsque le béton est exposé à l'eau salée, comme dans les ponts où du sel est appliqué sur les routes en hiver, ou dans les applications marines. Des barres d'armature non revêtues, résistantes à la corrosion, à faible teneur en carbone / chrome (microcomposite), en bronze au silicium , revêtues d'époxy , galvanisées ou en acier inoxydable peuvent être utilisées dans ces situations, à un coût initial plus élevé, mais à un coût nettement inférieur sur la durée de vie du projet.

Des précautions particulières doivent être prises lors du transport, de la fabrication, de la manutention, de l'installation et de la mise en place du béton lors du travail avec des barres d'armature revêtues d'époxy , car les dommages réduiront la résistance à la corrosion à long terme de ces barres. Même les barres revêtues d'époxy endommagées ont montré de meilleures performances que les barres d'armature non revêtues, bien que des problèmes de décollement du revêtement époxy des barres et de corrosion sous le film époxy aient été signalés. Ces barres revêtues d'époxy sont utilisées dans plus de 70 000 tabliers de pont aux États-Unis, mais cette technologie a été progressivement abandonnée au profit des barres d'armature en acier inoxydable à partir de 2005 en raison de ses faibles performances.

Les exigences relatives aux déformations se trouvent dans les spécifications de produits standard américaines pour les barres d'armature en acier, telles que ASTM A615 et ASTM A706, et dictent l'espacement et la hauteur des pattes.

Les barres d' armature en plastique renforcé de fibres sont également utilisées dans les environnements à forte corrosion. Elles sont disponibles sous de nombreuses formes, telles que des spirales pour le renforcement des colonnes, des tiges courantes et des treillis. La plupart des barres d'armature disponibles dans le commerce sont fabriquées à partir de fibres unidirectionnelles fixées dans une résine polymère thermodurcissable et sont souvent appelées PRF.

Certaines constructions spéciales, comme les installations de recherche et de fabrication avec des composants électroniques très sensibles, peuvent nécessiter l'utilisation d'armatures non conductrices d'électricité, et les salles d'équipement d'imagerie médicale peuvent nécessiter des propriétés non magnétiques pour éviter les interférences. Les barres d'armature en PRF, notamment les types en fibre de verre, ont une faible conductivité électrique et sont non magnétiques, ce qui est couramment utilisé pour de tels besoins. Des barres d'armature en acier inoxydable à faible perméabilité magnétique sont disponibles et sont parfois utilisées pour éviter les problèmes d'interférence magnétique.

L'acier d'armature peut également être déplacé par des impacts tels que des tremblements de terre , ce qui peut entraîner une défaillance structurelle. Le meilleur exemple est l'effondrement du viaduc de Cypress Street à Oakland, en Californie, à la suite du tremblement de terre de Loma Prieta en 1989 , qui a fait 42 morts. Les secousses du tremblement de terre ont provoqué l'éclatement des barres d'armature du béton et leur flambement . Des conceptions de bâtiments modernisées, comprenant des barres d'armature plus circonférentielles, peuvent remédier à ce type de défaillance.

Les tailles de barres américaines/impériales donnent le diamètre en unités de 1 ⁄ 8 pouce (3,2 mm) pour les tailles de barres n° 2 à n° 8, de sorte que n° 8 = 8 ⁄ 8 pouce = 1 pouce (25 mm) de diamètre.

Il n'existe pas de tailles de barres fractionnaires dans ce système. Le symbole « # » indique le signe dièse , et donc « #6 » se lit comme « numéro six ». L'utilisation du signe « # » est habituelle pour les tailles américaines, mais « No. » est parfois utilisé à la place. Dans les métiers, les barres d'armature sont connues sous un raccourci utilisant le diamètre de la barre comme descripteur, comme « quatre barres » pour une barre de quatre huitièmes (ou un demi) de pouce.

La surface de la section transversale d'une barre, telle que donnée par πr² , correspond à (taille de la barre/9,027)², ce qui correspond approximativement à (taille de la barre/9)² pouces carrés. Par exemple, la surface d'une barre n° 8 est (8/9)² = 0,79 pouce carré.

Les barres de tailles supérieures à #8 suivent imparfaitement la règle des 1 ⁄ 8 l'industrie les a fabriquées pour fournir l'équivalent de la section transversale des tailles de barres carrées standard qui étaient auparavant utilisées. Le diamètre de la forme ronde de grand format équivalente est arrondi au 1 ⁄ 8 de pouce le plus proche pour fournir la taille de la barre. Par exemple, la barre #9 a une section transversale de 1,00 pouce carré (6,5 cm ² ), et donc un diamètre de 1,128 pouce (28,7 mm). Les tailles #10, #11, #14 et #18 correspondent respectivement à des barres carrées de 1 1 ⁄ 8 pouce, 1 1 ⁄ 4 , 1 1 ⁄ 2 et 2 pouces.

Les tailles inférieures à #3 ne sont plus reconnues comme des tailles standard. Elles sont généralement fabriquées sous forme de tiges d'acier rondes non déformées, mais peuvent être fabriquées avec des déformations. Les tailles inférieures à #3 sont généralement appelées produits « en fil » et non « en barre » et sont spécifiées soit par leur diamètre nominal, soit par leur numéro de calibre de fil. Les barres #2 sont souvent appelées de manière informelle « tiges à crayon » car elles ont à peu près la même taille qu'un crayon.

Lorsque des barres d'armature de taille US/Imperial sont utilisées dans des projets avec des unités métriques, la taille métrique équivalente est généralement spécifiée comme le diamètre nominal arrondi au millimètre le plus proche. Ces dimensions ne sont pas considérées comme des dimensions métriques standard et sont donc souvent appelées conversion souple ou taille « métrique souple ». Le système de taille de barre US/Imperial reconnaît l'utilisation de tailles de barre métriques réelles (n° 10, 12, 16, 20, 25, 28, 32, 36, 40, 50 et 60 spécifiquement) qui indiquent le diamètre nominal de la barre en millimètres, comme spécification de « taille alternative ». Le remplacement d'une taille US/Imperial par une taille métrique réelle est appelé conversion dure et entraîne parfois l'utilisation d'une barre de taille physiquement différente.